Чудесный лазерный свет произвел переворот уже во многих отраслях науки и техники. Еще большую революцию, например в биологии, произведет когерентное электромагнитное излучение газера с длиной волны, меньшей размера атома. Чтобы проникнуть в тайны живого, ученым необходимо иметь возможность рассмотреть детали строения молекул белков, генов. С помощью лазерных гамма-квантов можно будет изучать в живых тканях даже движение отдельных макромолекул.

Синхронное излучение возбужденных ядер позволит получить не только объемную картину молекулы ДНК в клетке, но и снять объемный кинофильм о процессе удвоения ДНК, о синтезе белков в рибосомах. Газер может дать очень короткий импульс излучения до 10^–15 секунды. Поэтому при освещении газерным светом в каждом кадре этого уникального фильма можно будет увидеть «замороженные» во времени тепловые колебания молекул. Почему же до сих пор не создан ядерный гамма-лазер?

Создание газера — дело необычайной сложности. Оно потребует участия в нем многих лабораторий и институтов, предельных усилий ума и использования новейших достижений техники.

Говорят, что прибор, эксперимент и физическая проблема, которую он решает, — хлеб, любовь и фантазия физика-экспериментатора. И если фантазируют чаще всего теоретики, а их претензии к любви все возрастают, то хлеб навсегда и безвозмездно принадлежит экспериментаторам. Сейчас ученые широко обсуждают главную проблему, которую необходимо решить, прежде чем приступать непосредственно к сборке сложнейшей установки. Пока нет четкого мнения о том, как собрать в рабочем веществе газера достаточно большое количество возбужденных атомных ядер.

В рубиновом лазере атомы хрома легко возбуждаются светом от мощной разрядной электронной лампы, но атомные ядра светом не возбудить. Для этого необходимы ядерные реакции.

Советский физик Л. Ривлин в 1961 году впервые предложил схему создания ядерного лазера на мессбауэровском излучении без отдачи. Кристалл более чем наполовину обогащается долгоживущими возбужденными ядрами — изомерами. И достаточно хоть одному «разрядиться», как его гамма-квант послужит сигналом для всех остальных ядер, и газерный оркестр заработает. Но увы… Вместо чарующей мелодии мы бы услышали какофонию звуков, какую мог бы издавать небезызвестный квартет из басни И. Крылова.

На возбуждение ядер нейтронами, на выделение их из мишени и кристаллизацию требуется минимум несколько дней. Изомеры с таким временем жизни существуют, но ширина резонансной линии у них настолько мала, что становятся заметными ее искажения, связанные с дефектами кристаллической решетки. Эти искажения, неодинаковые у разных ядер, грубо нарушают ядерный гамма-резонанс.

Не лучше ли будет, если сделать газер на короткоживущих изомерах, как это предлагают советские ученые В. Гольданский и Ю. Каган? Сразу отпала бы забота о дефектах кристаллической решетки и слабых магнитных взаимодействиях между ядрами, тоже меняющих энергию резонансных гамма-квантов. Их влияние оказалось бы просто незаметным при той ширине линии, которая соответствует времени жизни возбужденных ядер порядка 10^–2–10^–6 секунды.

Но как за столь короткое время успеть проделать все необходимые предварительные процедуры?

Кажется, что ни за что не успеть обеспечить ядрам реакцию захвата нейтронов, выделить возбужденные изомеры и создать из них кристаллическое тело газера. Чтобы не попасть в цейтнот, физики предлагают обойтись без двух последних операций и сосредоточить все внимание на одной, заключающейся в следующем.

Сначала приготавливается кристалл, содержащий ядра, которые предстоит превратить в изомеры. Затем мощнейший поток нейтронов, приблизительно такой, что образуется при ядерном взрыве, за миллионные доли секунды возбуждает атомные ядра. Как будто газер готов?

Нет. Беда в том, что облучение нейтронами губительно для кристалла, он слишком перегревается и может разрушиться. Поэтому совершенно необходимо вынести из зоны облучения нейтронами рабочее вещество газера, где будут излучаться гамма-кванты.

Так ко всем предыдущим операциям добавляется еще одна, которую необходимо выполнить за те же миллионные доли секунды. Надо либо перенести в другой кристалл созданные изомерные ядра, либо перекачать в этот второй кристалл всю драгоценную энергию, накопленную в момент облучения нейтронами.

Конечно, энергия не вода, которую перекачивают по трубам, но в данном случае не нужны и провода, по которым обычно подается электроэнергия. Изомеры с помощью резонансных гамма-квантов могут передать свою энергию таким же стабильным ядрам второго кристалла и превратить его в готовый для работы гамма-лазер. Пока идет обсуждение и проблемы в целом, и отдельных операций. Работать с долгоживущими изомерами намного удобнее, и сейчас детально обдумывается любая возможность уменьшения искажения ширины резонансной линии.

Дилемма, стоящая перед теми, кто занимается проблемой гамма-лазера: или большое время жизни изомерных ядер, или очень малая ширина резонансной линии — сегодня уже не кажется неразрешимой. Специалисты по кристаллографии достигли значительных успехов в выращивании так называемых бездефектных кристаллов. А физики предлагают защищаться от искажений, связанных со слабым магнитным взаимодействием между ядрами в кристаллической решетке, с помощью внешнего радиочастотного поля.

Но, может быть, первым заработает гамма-лазер, параметры которого подобраны по принципу золотой середины. Такой вариант газера с применением эффекта Мессбауэра предложил советский ученый В. Летохов. По его мнению, в будущем приборе гамма-кванты должны испускать изомеры с не очень длинным, но и с не очень коротким временем жизни: от 0,1 секунды до 10 секунд. Для возбуждения этих изомерных ядер не требуются и слишком мощные потоки нейтронов. Необходимое для работы газера количество изомеров можно получить с помощью действующих ядерных реакторов. Однако в отличие от предыдущих вариантов здесь рабочее вещество газера должно пройти через такие сложные процедуры, каким не подвергается ни один материал даже в самом сложном производстве.

Прежде всего предстоит извлечь возбужденные ядра из вещества мишени, которая побывала в нейтронном потоке. И самым быстрым из них представляется почти фантастический способ, опирающийся на последние достижения науки и техники, который натурфилософы XVII века попросту назвали бы «дематериализацией».

Короткий мощный лазерный луч разбивает мишень на отдельные атомы. Еще два лазера, лучи которых направлены на газовую струю из смеси продуктов испарения, избирательно ионизируют атомы, содержащие возбужденные ядра-изомеры. Электромагнитная фокусирующая система легко собирает эти ионы, и возбужденные ядра оседают, «материализуются», на заряженной нити или пленке. Мгновенной кристаллизацией и заканчивается весь сложный процесс изготовления рабочего вещества гамма-лазера.

В. Летохов полагает, что современное состояние ядерной и лазерной техники позволяет приступить к практическому решению вопросов, связанных с разработкой такого газера.

И экспериментальные и теоретические исследования «запасных» ядерных уровней, которые, как раньше казалось, имели чисто научно-теоретическое значение, оказались чрезвычайно необходимыми. Без знаний, добываемых спектроскопистами, не построить уникальный прибор будущего — ядерный гамма-лазер.

Сейчас предлагается широкая программа изучения проблем в разных областях науки и техники, имеющих непосредственное отношение к получению когерентного гамма-излучения. Возможно, в самое ближайшее время появятся новые, кардинальные идеи, осуществление которых ускорит разработку конкретного проекта ядерного гамма-лазера.

Появление газеров в лабораториях откроет новые горизонты перед исследователями атомных ядер. Обычные лазеры стимулировали развитие новой области науки, так называемой нелинейной оптики. Были открыты новые явления при взаимодействии лазерного света со средой. Мощные лазерные пучки, проходя через вещество, преобразовывают его и тем самым изменяют условия взаимодействия фотонов с атомами и молекулами.