Таунс назвал свое устройство «мазер» (maser), от первых букв английских слов в словосочетании microwave amplification by stimulated emission of radiation — «микроволновое усиление путем стимулированного испускания излучения».

Мазер с аммиаком будет работать только с фотонами одной определенной частоты, но ведь аммиак — не единственное вещество, на котором может работать мазер. Были найдены твердые вещества, в которых используются другие сочетания энергетических уровней. Короче говоря, ученые разработали мазеры для фотонов самых разных частот.

Сначала все мазеры могли работать только по сессиям. Систему надо было сначала каким-то образом наполнить частицами с более высоким энергетическим уровнем, а затем входящий фотон всю ее разряжал, и мазер переставал работать, пока его снова не наполнить частицами с высоким уровнем.

Голландско-американский физик Николас Бломберген сумел обойти эту проблему путем введения системы с тремя уровнями — низким, средним и высоким. Систему наполняют высокочастотными фотонами, способными перевести содержащиеся в мазере атомы с низкого уровня на высокий. Вторая группа фотонов, более низкой частоты, сбивает систему сначала с высокого уровня на средний, а потом — со среднего на низкий. Оба процесса могут проходить независимо друг от друга, так что получается, что одновременно первая группа фотонов поднимает систему на более высокий энергетический уровень, а вторая — сбивает на более низкий. В целом вся система работает, таким образом, непрерывно.

Однако нет никаких причин ограничиваться микроволновым излучением. Почему бы не начать работать на других энергетических уровнях, чтобы производить более энергичные фотоны, частоты которых окажется достаточно для производства видимого света? Мазер, производящий такой видимый свет, получил название «оптического мазера», или «лазера» (это слово образовано по тому же принципу, что и мазер, но вместо «м» от microwave — «микроволновый», в нем используется «л» от light — «световой»).

В 1958 году Таунс указал, что создание лазера теоретически вполне возможно, а в реальности это устройство впервые создал Мейман, о чем я уже написал в начале главы. Первый лазер Меймана работал по прерывистой схеме, и после быстрой разрядки его приходилось снова заряжать энергией. Однако не успел закончиться 1960 год, как физик Али Джаван в лаборатории Белла уже создал постоянный лазер.

Теперь понятно, чем свет лазерного луча отличается от любого другого известного нам света.

Во-первых, лазерный луч состоит из очень сильного света. При порождении обычного светового излучения испускаются фотоны самых разных частот, а лазерный луч состоит из совершенно одинаковых фотонов. Лишь малая их часть принадлежит видимому отрезку светового спектра.

Во-вторых, лазерный луч очень однороден. Обычный свет состоит из фотонов самых разных частот, а лазерный луч — из совершенно одинаковых фотонов. Поэтому на всем своем протяжении луч имеет один ровный цвет. Такой цвет называется «монохромным» (от греческих слов «один» и «цвет»).

В-третьих, лазерный луч очень узок. Фотоны обычного света движутся во все стороны, и луч обычного света из-за этого трудно удержать от рассеивания. А фотоны лазерного луча движутся все строго в одном и том же направлении. Поэтому обычный свет можно уподобить толпе людей, каждый из которых движется туда, куда надо лично ему, а луч лазера — колонне марширующих в ногу солдат.

Естественное стремление фотонов лазерного луча двигаться в одном и том же направлении подчеркивается и устройством производящей его трубки. Концы этой трубки сделаны со всей возможной точностью плоскими, ровными и параллельными. Один из них посеребрен и представляет собой идеальное зеркало, а второй посеребрен лишь слегка. Когда механизм лазера запускает производство фотонов, они движутся тоже во всех направлениях. Большинство таких фотонов сразу же свободно уходят сквозь стенки трубки. Однако те, которые оказываются направленными вдоль трубки, попадают сначала на одно отражающее зеркало, потом, отразившись от него, — на второе, оттуда — опять на первое, все время по пути лавинообразно порождая новые фотоны, движущиеся в том же направлении.

В конце концов, когда фотонов становится достаточно много, их лавина прорывается сквозь тот конец трубки, что посеребрен лишь слегка, и получается лазерный луч. Составляющие этот луч фотоны настолько одинаковы между собой по частоте и направлению, что переходят один в другой практически незаметно, так что весь луч можно изобразить как одну непрерывную волну. Такое излучение называют «когерентным», от английского слова, означающего «сцепленный, связанный».

Состоящий из когерентного света лазерный луч практически вообще не рассеивается. Пронизывая пространство, он тратит крайне мало энергии. Лазерный луч можно сфокусировать так, чтобы попасть им в чашку кофе, находящуюся на расстоянии в тысячу километров. В 1962 году лазерный луч, запущенный с Земли, достиг Луны. При этом он рассеялся до диаметра в три километра, пройдя расстояние примерно в четыреста тысяч километров.

Уникальным свойствам лазерного луча может найтись масса интересных применений. В частности, узость луча позволяет сфокусировать на малой площади достаточно большую энергию. Температура на этой площади так быстро возрастает до критических значений, что требуется прилично поработать, чтобы тепло успело в достаточном объеме улетучиться, не нанеся вреда.

В связи с этим лазер может стать средством профилактики некоторых глазных болезней — им можно успеть скрепить ослабевшую сетчатку так быстро, что окружающие ткани не успеют пострадать от высокой температуры. Точно так же можно уничтожать и опухоли на коже, не обжигая здоровой кожи.

Лазером можно выпарить кусочек металла, а пар — быстро подвергнуть спектрографическому анализу; можно быстро и чисто пробуравить отверстие в металле или даже в драгоценном камне. Возможно, с помощью лазерного луча удастся когда-нибудь добиться и температур, достаточно высоких, чтобы запустить управляемую реакцию слияния ядер водорода, и решить таким образом раз и навсегда энергетическую проблему (см. главу 10).

Разумеется, к сожалению, все то же самое, что и с куском металла, лазер может сделать и с человеком. В 1965 году были разработаны лазеры, в которых частицы подталкиваются на высокий энергетический уровень с помощью химических реакций. Значит, мы можем представить себе и пистолет, в котором энергия химической реакции будет не толкать по стволу свинцовую пулю, а испускать вспышку лазерного луча. Такой луч бесшумно поразит человека намертво, не оставив следов и улик в виде пули, по которой можно было бы впоследствии произвести трасологическую экспертизу. Вот это получился бы воистину тот самый луч смерти, о котором столько писали в фантастических рассказах.