从分子中诞生的无线电波

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从神秘的宇宙不断向地球传来无线电波。科学家们在制造出十分复杂的无线电仪器之后,学会了接受这些宇宙间的无线电信号,并对它进行研究。

深藏在宇宙中的“发射机”究竟是什么东西?它们数十亿年来不停地发射着信号,是从哪儿弄到的能量呢?

创造这些“发射机”的其实就是大自然本身。原来无线电波是由分散在广袤无垠的银河系空间的氢原子发射出来的。科学家确认,原子在未受外力作用前能够把能量保留在自身之内。然而当它一旦受到外力作用,比如受到光能的影响,它就会产生“激励”现象,并把盈余的能量导入空间。这就是供给宇宙“无线电发射机”使用的无穷尽的能源。

别的物质分子和原子是否也能发射无线电波呢?这个问题许久以来一直吸引着全世界科学家的注意。这个问题解决了,人类就可以更进一步探讨宇宙的秘密。

苏联科学家巴索夫和普罗霍罗夫两人在对物质的无线电发射能力进行理论探讨时,预言别的物质分子,例如氨分子也能够发射出适于接收的无线电波。他们两人不仅在理论上预言可以借助分子发生无线电波,而且进一步制成了世界上第一个分子无线电波振荡器。

因为发现了无线电波再生和放大的原理,而这原理又促成分子无线电波振荡器和放大器的制成,巴索夫和普罗霍罗夫两人荣膺了1959年度列宁奖金。

这种极其简单的分子无线电波振荡器构造如何呢?

从试验中发现,并不是所有的氨分子都能发射无线电波。绝大多数氨分子都只愿意从外界吸取能量,只有一小部份分子拥有盈余的能量,在一定的条件下发射出来成为无线电波。

所以要想制造分子无线电波振荡器,只把大量氨分子收集在一个容器里是不够的。首先必须把活泼的分子和不活泼的分子(即从自己的邻居吸收能量的分子)分离开来。

科学家发现,活泼的分子和不活泼的分子在电场里的表现各不相同。活泼的分子表现“激励”,极力逃离电场,而普通的分子却变得更加呆滞。它们跟活泼的分子相反,很容易被吸引到电场范围内去。这样一来,电场就变成一种独特的分类器,它把发射无线电波的分子和吸收无线电波的分子分离开来。

苏联科学家在设计第一个无线电波振荡器时,正是利用了分子的这种特性。

但是,只把分子分类还不行。必须让分子把它的能量发射到空间。怎么办呢?苏联科学家经过千百次试验。才找到迫使活泼的分子老老实实放出它盈余的能量的方法。这种方法就是用电磁场去刺激分子。

苏联科学家经过长期的探讨和无数次的试验,终于制成了世界上第一个分子振荡器。固然振荡器所放出的电子非常微小——只相当于十亿分之一瓦特,但是它的价值并不因此减低。分子振荡器有一个奇妙的特点:它的无线电波频率异乎寻常地稳定。例如,两个分别制造的分子振荡器的振动频率相差还不到十亿分之一。

因此,人们常把分子振荡器叫做未来的精密技术的代表。它的应用范围相当广泛。根据分子振荡器的原理制成的高度精密钟,可以连续走一百年,而快慢只差十分之几秒。有了这种分子钟,就可以制成自然的、永久的而且容易复制的时间标准原器了。

分子振荡器还能帮助科学家进行直到目前为止尚无法进行的试验,即对于相对论的重要原理的检验。物理学家爱因斯坦肯定地说,宇宙间各处的时间流逝的速度不尽相同。相对论指出,在靠近巨大物休,如靠近太阳和其他大恒星的地方,时间比离开这些星体远的地方过得要慢些。不但如此,爱因斯坦相对论还证明,甚至连我们地球上各地的时间快慢也不是相同的。同一只表在深矿井里走得慢些,在高山上、飞机上、地球卫星上走得就快些。这种时间快慢的差别是极其微小的,连现代最精密的钟表都无法觉察到。相对论提出的地球上的时间差别,只有分子振荡器才能测量出来。巴索夫和普罗霍罗夫两人没有把自己的探讨局限于分子振荡器的制造和改进方面。他们在研究改进分子振荡器的同时,还制成了世界上的最早的没有内部器声无线电波放大器。大家都知道,在普通无线电收音机里,是听不见从远处传来的弱信号的。这是因为弱信号被内部噪音压低了的缘故。普通收音机内所有的另件如电子管、电阻器却没有能够发生杂音的另件。因此分子无线电波放大器可以把收音机灵敏度提高到一千倍,这就为无线电定位和无线电通讯开辟了新的可能性。

图1
图1 🔍原图 (1118×724)

这是分子振荡器的基本原理的图解。1为容器,氨分子从这里飞出来;2为电容器;3为谐振空腔;4为引出电磁波的波导管。

分子振荡器的休积还不及一部中等收音机大。振荡器装在一个金属箱中,在箱壁上装有两个玻璃观察窗,通过窗可以看到谐振腔、电容器(分析分子用的)及氨分子容器。在容器和电容器之间还装有带孔的膜片,氨分子束从这里飞出来。电容器的四个极棒成特殊形状排列,并带有高电位。氨分子束从极棒间飞过时,因电场的作用,具有低能量的分子向两旁散开(图中白色的)。高能量的分子向电容器的中心轴线靠拢(图中黑色球)。空腔谐振器装在电容器后面的中心线轴线上。高能量的氨分子飞过谐振器时,以电磁波的形式放出所具有的过剩能量,然后用波导管引出振荡器。分子振荡器的极高频振荡,用特殊的电路将它转换为低频,以供各种应用。

膜片与振荡器壁用液体臭氧冷却,空气及剩余的氨分子由特殊的抽气机抽除。氨分子束事实上是看不见的,仪器的工作情况只有在示波器的屏幕上才能观察。(((苏联)技术科学副博士 B.巴尔菲诺夫 苏联大使馆新闻处 供稿)