Лазеры: гениальность и упущенные возможности

 

Русские ученые были пионерами в области разработки лазеров: оборот этой промышленной отрасли сегодня составляет многие миллиарды долларов. Двоим из этих ученых, Александру Прохорову и Николаю Басову, в 1964 году была присуждена, совместно с американцем Чарльзом Таунсом, Нобелевская премия за изобретение лазеров и мазеров. Еще раньше – в 1930–1940-е годы – российский ученый Валентин Фабрикант заложил основы физической оптики и физики газового разряда, что стало первым шагом на пути создания лазеров.

Они не выполнили подготовительную работу. Было бы более логичным признать заслуги русского физика Фабриканта.

Теодор Мейман, американец, создавший первый лазер, о присуждении в 1964 году Нобелевской премии Чарльзу Таунсу, Александру Прохорову и Николаю Басову{136}

Любопытно, что история лазеров наглядно демонстрирует сильные и слабые стороны как американской, так и советской политических систем: политические и экономические препятствия, замедлявшие развитие этой области науки, присутствовали в обеих странах. При этом интерес со стороны инвесторов и коммерческая конкуренция были гораздо сильнее в США, что в результате привело к созданию серьезных американских компаний в этой области. А из российских компаний по производству лазеров ни одна не является крупным международным игроком.

В апреле 1955 года профессор физики Колумбийского университета в Нью-Йорке по имени Чарльз Таунс отправился на симпозиум в Великобританию, в Кембридж, где собирался обсудить результаты своей работы, посвященной усилению микроволн с помощью вынужденного излучения. Годом ранее Таунсу и группе сотрудников физической лаборатории Колумбийского университета удалось успешно продемонстрировать подобное излучение, бомбардируя микроволнами молекулы аммиака. Полученная при этом мощность составила всего несколько миллиардных ватта, но она подтверждала работоспособность прибора. Таунс был убежден, что совершил прорыв в науке.

Вместе со своими студентами за обедом после знаменательного события Таунс ломал голову, как назвать созданный прибор. И остановился на сокращении мазер (англ. maser) от полного названия microwave amplification by stimulated emission of radiation (усиление микроволн с помощью вынужденного излучения). Мазер Таунса на молекулах аммиака был предшественником более перспективных лазеров – от английского laser, акроним от light amplification by stimulated emission of radiation (усиление света посредством вынужденного излучения). Позднее производство и использование лазеров и мазеров превратится во многомиллиардную отрасль, а сами они лягут в основу многочисленных современных электронных устройств{137}.

Таунс отправил короткую научную статью о своей работе в ведущий мировой научный физический журнал Physical Review, но к моменту поездки в Англию еще не подготовил подробного теоретического описания проделанной им работы. Поэтому он был невероятно удивлен, когда советский физик Александр Прохоров{138}, выступавший перед ним, на великолепном английском представил свою собственную научную работу по теории мазера на молекулах аммиака – это был тот же самый прибор, который использовал Таунс. До этого момента Таунс никогда не встречался с Прохоровым и даже представить не мог, что через некоторое время он будет получать Нобелевскую премию вместе с Прохоровым и его учеником Николаем Басовым{139} за создание лазера. Первой целью Таунса в Кембридже было отстоять свой приоритет на изобретение и не уступить его Прохорову. После того как Прохоров закончил свой доклад, Таунс встал с места и объявил: «Это все очень интересно, у нас есть уже действующий подобный прибор». И рассказал о своей работе над мазером.

 

 

Валентин Фабрикант (1907–1991), первым разработавший теорию лазера в своей докторской диссертации в 1939 г.

 

Когда научное сообщество начало более пристально изучать работу, проделанную российскими учеными в области физической оптики и физики газового разряда, оно было поражено. Теодор Мейман, американец, который в 1960 году создал первый в мире лазер, позднее отмечал: «Идею концепции лазера первым предложил российский физик А. В. Фабрикант в 1940 году»{140}. Фабрикант изложил принцип действия лазера в докторской диссертации в 1939 году, а в 1951-м получил авторское свидетельство на свою работу (на Западе авторское свидетельство часто называют «патентом», но оно существенно отличается от патента в его западном понимании). Он не только разработал теоретические основы принципа действия лазера, но был первым, кто в лабораторных условиях наблюдал оптическое усиление излучения при использовании смеси паров ртути и водорода. Фабрикант был пионером в данной области{141}. Мейман даже полагал, что Нобелевскую премию следовало бы вручить Фабриканту, а не Басову, Прохорову и Таунсу. Когда Нобелевский комитет выбрал для вручения премии это трио ученых, Мейман заявил, что его члены «не выполнили подготовительную работу. Было бы более логичным признать заслуги русского физика Фабриканта»{142}.

Авторские свидетельства в Советском Союзе не наделяли русских изобретателей ни монополией на свое творение, ни финансовыми правами. Свидетельства были неким почетным признанием достижения, хотя иногда и сопровождались скромной единовременной премией. Они не позволяли изобретателю вывести свой продукт на рынок и получить от этого финансовую выгоду. И Фабрикант меньше всего думал о такой выгоде. Он признавал, что «не обращал внимания на практическую ценность своей идеи»{143}. Он был типичным русским интеллигентом, великолепным собеседником, эрудитом, человеком, который жил в мире идей. Бизнес попросту не входил в круг его интересов.

Разработка лазера в США и в СССР показала сильные и слабые стороны двух политических систем и их тесную взаимосвязь с государственными военными интересами. В США частные инвесторы и коммерческие компании, такие как Hughes Aircraft[35] и AT&T, занимались продвижением исследований в области лазерных технологий, надеясь на получение патентов и коммерческую выгоду. Отвратительная «патентная война» между этими компаниями растянулась на несколько десятилетий{144}. Поскольку лазер являлся предметом повышенного внимания со стороны военных, вскоре разработчики столкнулись с проблемами секретности, допуска к информации, что фактически привело к затягиванию исследований. В Советском Союзе централизованная система поддерживала проекты с высокой степенью приоритетности. В лазерные исследования быстро включились советские военные структуры, обеспечившие необходимое финансирование. Когда по прошествии некоторого времени я беседовал с Прохоровым в его московской лаборатории, он с гордостью заявил, что не только изобрел лазер, но еще и открыл «генеральный эффект» в физике. Когда я спросил, что такое «генеральный эффект», он ответил: «Военные генералы очень интересуются моей физикой»{145}.

Сегодня изобретателем лазера чаще всего называют нобелевского лауреата Чарльза Таунса, хотя по поводу его приоритета до сих пор идут горячие дискуссии в физических научных кругах, коммерческих компаниях, среди историков науки и технологий{146}. Другими претендентами на лавры помимо Таунса являются его родственник Артур Шавлов, Теодор Мейман из исследовательской лаборатории корпорации Hughes Aircraft, амбициозный изобретатель Гордон Гулд, четыре группы физиков, работавших в Лаборатории Белла, а также несколько групп ученых из Советского Союза. В течение нескольких десятилетий они боролись за пальму первенства.

16 мая 1960 года Теодор Мейман в исследовательской лаборатории корпорации Hughes Aircraft в Малибу создал первый в мире рабочий лазер на основе монокристалла искусственного рубина{147}. Советские исследователи тоже очень близко подошли к этой стадии{148}. Две научно-исследовательские группы – одна в Государственном оптическом институте им. С. И. Вавилова в Ленинграде, вторая в Физическом институте им. П. Н. Лебедева АН СССР в Москве – в то время уже проводили эксперименты в этой области. Как только они узнали о достижении Меймана, они постарались воспроизвести его у себя. Ленинградская группа ученых под руководством Д. Д. Хазова добилась успеха 2 июня 1961 года. Вторая группа, в состав которой входили М. Д. Галанин, А. М. Леонтович и З. А. Чижикова, сделала то же самое 15 сентября.

Огромная разница между Мейманом и его советскими конкурентами заключалась в действиях, которые все они предприняли после того, как создали лазер. Компания Hughes Aircraft, на которую работал Мейман, получила патент на изобретение, позднее он принес компании хорошую прибыль. Мейман, не получивший от своей разработки никакой финансовой выгоды, так как был наемным сотрудником Hughes Aircraft и был обязан передать все права на патент компании-работодателю, был глубоко разочарован. Он уволился и основал собственную компанию по производству лазеров. Никто из советских ученых не сделал ничего подобного. Собственно, они и не могли сделать ничего подобного, так как в СССР не существовало частных компаний. Но что более важно, советским ученым никогда не приходило в голову попытаться коммерциализировать плоды своей работы.

История раннего этапа развития лазерных технологий в США и СССР достаточно красноречиво демонстрирует сильные и слабые стороны обеих систем. Советская система сводила на нет инновации и их коммерческое развитие, но и американская система также чинила препятствия на пути развития инноваций. Особый интерес представляет история американского ученого Гордона Гулда, столкнувшегося в США с политическими проблемами, порожденными холодной войной с Советским Союзом.

Гордон Гулд родился в 1920 году, получил степень магистра физики в Йельском университете. Гулд был участником Манхэттенского проекта[36], но его исключили из-за связей с левыми либеральными организациями. На какое-то время он увлекся коммунистическими идеями и вместе со своей первой женой, тоже придерживавшейся левых взглядов, стал членом Коммунистической партии США. Однако в 1950-е годы Гулд разочаровался в Советском Союзе и коммунизме. В 1949 году Гулд поступил в аспирантуру физического факультета Колумбийского университета, где его научным руководителем стал Поликарп Куш, близкий соратник Чарльза Таунса, впоследствии также удостоенный Нобелевской премии.

Гулда отличало от Куша и Таунса то, что он видел себя больше изобретателем-практиком, нежели академическим ученым-физиком (в итоге он так и не получил научную степень, примером для подражания для него был Томас Эдисон, но никак не университетская профессура). Несмотря на левацкие убеждения, Таунс был не прочь разбогатеть за счет своих изобретений. Он очень заинтересовался мазерами, оптикой, часто беседовал с Таунсом на тему его исследований. Фактически именно Гулду принадлежит авторство термина «лазер»: сам Таунс называл устройство, над которым он работал, «оптическим мазером».

В 1957 году Гулд тайком свел в одну папку результаты исследований, проводившихся в Колумбийском университете, присовокупил к ним свои собственные богатые идеи и заверил все нотариально (каждую страницу отдельно, что подчеркивало, насколько важной считал Гулд эту подборку материалов) у местного нотариуса, который ничего не понимал в том, что он, собственно, заверил. В последующих патентных спорах эта тетрадь сыграла роль основного документа.

В следующем, 1958 году Гулд бросил аспирантуру, нанялся на работу в небольшую частную компанию TRG (Technical Research Group) и начал продвигать проект создания лазера. В 1959 году компании удалось получить крупный грант на проведение исследований в области лазеров от Агентства по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам (ARPA) – правительственной организации, продвигающей проекты, имеющие потенциал использования в военно-промышленной сфере. С одной стороны, такой ход событий был на руку Гулду, а с другой – это стало источником проблем, которые преследовали Гулда до конца его дней. Агентство настаивало на секретности исследовательской работы, а Гулду с его «левацкой» биографией доступ к секретной информации был закрыт. Вскоре ситуация приняла вовсе нелепый оборот: человек, который считался руководителем исследовательских работ в области лазерных технологий, не имел права находиться в помещениях лабораторий, где велись эти работы, потому что они были секретными. Офис Гулда располагался напротив здания лабораторий, через дорогу, но он не имел права пересекать эту границу.

Хотя никто не может с точностью сказать, как все обернулось бы, не сложись этой нелепой ситуации, большинство сходится во мнении, что это существенно замедлило исследования. Гулд, который никогда не был «послушным парнем», ответил на глупость, навязанную его лаборатории властями, тем, что завел роман с сотрудницей службы безопасности компании, которая отвечала за секретные материалы. Когда об этом стало известно, женщину уволили, Гулда, по понятным причинам, – нет. В другой раз Гулд попросту взял и выкрал лазер из секретного отдела. Но его ценили как талантливого изобретателя (вообще Гулд участвовал во многих исследовательских проектах компании, включая работу над контактными линзами и в области стоматологии).

Гулд так и не получил доступ к материалам с грифом «секретно», хотя пытался этого добиться не один год. В конце концов он превратился в своеобразного повстанца, убежденного, что против него восстала вся государственная система США. Стратегией его действия стало предъявление многочисленных патентных судебных исков, в ходе которых он пытался получить полагающийся ему авторский гонорар со всей лазерной отрасли. Таунс, будучи истинным южанином и джентльменом, как и многие другие, полагал, что Гулд просто пытался присвоить себе плоды чужой работы. В ответ Гулд обвинял Таунса в том, что тот сам присвоил чужие идеи.

Сначала Гулду не слишком везло в патентных притязаниях, но в конце концов он выиграл решающую тяжбу. И получил миллионы долларов с лазерной отрасли. Парадокс жизни: Гулд, в юности симпатизировавший коммунистическим идеям, в зрелые годы стал самым финансово успешным исследователем в области лазерных технологий. Коллеги относились к его успеху с неприязнью, считали его несправедливым. Выигрыш Гулда в суде Мейман назвал «пародией на справедливость»{149}. Впрочем, немногим лучше отозвался он и о Таунсе, который, по его мнению, был ярким представителем «сообщества однокашников»{150}, ни за что не допустившим бы появления в своих рядах ученого-прикладника, вышедшего не из стен престижного Северо-Восточного университета[37].

Александр Прохоров также был человеком непростым, с властным характером, навязывавшим всем свое мнение. О его авторитаризме ходит много историй. Одна из них настолько поразительная, что мне, слышавшему ее не один раз от самых разных людей, все равно сложно в нее поверить. В 2007 году Андрей Фурсенко, тогдашний министр науки и образования РФ, поведал эту историю на страницах центральной российской газеты{151}. В 1950-е годы лаборатория Прохорова в Физическом институте им. П. Н. Лебедева занималась рутинными исследованиями, которые не обещали сенсационных результатов. Прохоров посчитал, что необходимо двигаться в другом направлении: заняться вопросом вынужденного излучения в газах. Коллектив же лаборатории делать этого не хотел, все сотрудники работали над своими диссертациями, и текущее положение их вполне устраивало.

 

 

Александр Прохоров, один из ученых, получивших в 1964 г. Нобелевскую премию по физике за разработку лазера, демонстрирует свою установку

 

Прохоров дал месяц на размышления. А потом предпринял радикальные меры: пришел с молотком и перебил все приборы, которые требовались для проведения текущих исследований. Затем установил новое оборудование и директивно приказал сотрудникам работать над тем, что он скажет. Разгорелся скандал, половина коллектива лаборатории уволились. Но те, кто остался, продолжили работать с Прохоровым над темой, отмеченной впоследствии Нобелевской премией.

Эта черта характера имела как положительные, так и отрицательные стороны. Прохоров был членом КПСС с 1950 года, патриотом, гордившимся своей советской Родиной. Он был непримирим к проявлениям политической нелояльности. Прохоров хорошо знал Андрея Сахарова, но был в корне не согласен с его политической позицией. Когда Сахаров опубликовал статью с критикой советской внешней политики, Прохоров вместе с тремя другими коллегами написали открытое письмо в центральную советскую газету «Известия», в котором резко осудили Сахарова, не стесняясь в выражениях, назвав его предателем без чести и совести{152}. Эти оскорбительные нападки сильно подорвали репутацию Прохорова на Западе. Когда Прохоров приехал в Сан-Франциско на презентацию своей работы, американский ученый Эндрю Сесслер вышел перед трибуной, держа плакат с надписью: «Прохоров – великий ученый, паршивый человек»{153}.

Если задуматься о том, какую важную роль сыграли российские ученые в разработке лазера, кажется удивительным, какую незначительную часть занимает Россия в мировой лазерной индустрии. К 2000 году объем проданных лазеров и лазерных систем в долларовом эквиваленте составил примерно 200 млрд долл.{154} Доля России спустя 36 лет после того, как двое русских ученых были награждены Нобелевской премией за изобретение мазера и лазера, составляла всего 1–1,5 %{155}. Крупнейшими производителями лазеров в то время были американцы. Ни одна из российских компаний не стала ведущим игроком в этой области.

Чтобы объяснить этот резкий контраст между ведущей ролью России в разработке лазеров и ее последующим провалом в их коммерциализации, стоит разобраться, как возникла мировая лазерная индустрия. Некоторые из крупных компаний – производителей лазеров начинали как независимые стартапы. Создание подобных независимых предприятий было невозможно в Советском Союзе. Самыми крупными производителями лазеров на начальном этапе были компании Spectra-Physics и Coherent, основанные в США соответственно в 1961 и 1966 гг. В 2004 году компанию Spectra-Physics приобрела корпорация Newport Corporation, основанная в 1969-м.

История крупных корпораций, которые начинали свой путь как гаражные стартапы в Кремниевой долине, сегодня стала хрестоматийной. Некоторые из крупнейших производителей лазеров возникали именно таким образом. Компания Newport Corporation была основана в 1969 году выпускниками Калифорнийского технологического института Джоном Мэттьюсом и Дэннисом Терри, к которым вскоре присоединился еще один выпускник того же института Милтон Чанг. В первый год объем продаж компании составил 46 000 долл. – сумма небольшая, но достаточная, чтобы переехать из гаража в арендованное помещение. Небольшая компания вскоре приобрела высокотехнологичных клиентов, наладила производство точных оптических, электрооптических и оптомеханических приборов и собиралась заняться интерферометрами и голографией. Newport Corporation стала публичной в 1978 году.

История создания еще одного крупного производителя лазеров, корпорации Coherent, демонстрирует, что даже молодые бунтари – основатели лазерной индустрии сами сталкивались с проявлениями бунта против них. Молодой физик Джеймс Хобарт на начальном этапе был сотрудником Spectra-Physics, одной из первых компаний, занимавшихся лазерами в Кремниевой долине. Он заинтересовался промышленным применением лазеров при резке и плавке металла, но ему не удалось убедить своих боссов в перспективности этого направления.

В 1966 году Хобарт, которому было чуть больше 30 лет, создал собственную компанию в Пало-Альто, штат Калифорния, с начальным капиталом 10 000 долл. Сначала новая компания располагалась в помещении прачечной, где Хобарт нашел розетку на 220 В, необходимую для питания его нового лазера. Между стиральными машинами Хобарт и его коллеги создали свой первый промышленный лазер, использовав в качестве одного из его основных компонентов обычный водосточный желоб. Этот прибор стал первым коммерчески доступным лазером на углекислом газе. Он начал пользоваться спросом, и Хобарт заменил водосточный желоб на блестящую металлическую трубку. Хобарту удалось продать лазер Boeing Company, причем во время его презентации он случайно прожег дыру в полу. Дела компании быстро пошли в гору, и в 1970 году она выпустила свои акции в публичное обращение. К 1980-м годам компания превратилась в крупнейшего в мире независимого производителя лазеров.

Ни одна компания в лазерной индустрии, неважно, насколько талантливыми были ее основатели, не была застрахована от внутренних конфликтов и как следствие – от раскола. Один из основателей компании Newport Corporation, Джон Мэттьюс, в 1970-е годы создал лазерный прицел для огнестрельного оружия. В своей компании он не смог найти финансирование, необходимое для дальнейшего развития своей идеи. А потому уволился и создал новую – Laser Products, которая позднее стала называться SureFire.

Таким образом, как мы могли убедиться, лазерная индустрия в США на начальном этапе продвигалась силой бунтарского духа. Некоторые компании добились успеха, многие потерпели неудачу. В конце 1980-х годов после многочисленных успехов компания Coherent оказалась на грани банкротства, не выдержав конкуренции. Лазерная индустрия стала ярким примером «творческого разрушения» – термин, который, по иронии судьбы, впервые использовался в марксистской экономической теории, но сегодня чаще ассоциируетсяс экономистом Йозефом Шумпетером[38].

В условиях советской плановой экономики создание лазерных компаний не могло происходить так же, как в США: на конкурентной основе, независимо и хаотично. Тем не менее в СССР существовали отдельные личности, готовые заняться предпринимательством в данной области. Таким человеком был Валентин Гапонцев – его история очень напоминает сказку о гаражном стартапе в Кремниевой долине. Валентин Гапонцев – советский и российский физик, специалист в области фундаментальной физики света и лазерных технологий. В 1950-х и 1960-х годах он окончил соответственно Львовский политехнический и Московский физико-технический институты. Как он отмечал позднее, «хотя, возможно, я и хотел бы стать предпринимателем на заре своей карьеры, в эпоху Советского Союза это было невозможно»{156}.

После распада Советского Союза в 1990 году Гапонцев организовал частную компанию на базе лаборатории Института радиотехники в г. Фрязино, недалеко от Москвы. С точки зрения западной правовой системы то, чем занимался Гапонцев, было незаконным, так как он использовал государственные ресурсы (институт был государственным) для личного обогащения. В общем, это был не гараж. Гапонцеву предстояло решить неимоверно сложную задачу, поскольку в то время российский рынок был заморожен. По словам Гапонцева, «…было очевидно, что в России нет реальных возможностей для развития бизнеса, высокие технологии никого не интересовали, так что рынок был на Западе».

Первый контракт Гапонцев заключил с крупной итальянской телекоммуникационной компанией Italtel, для которой разработал уникальные для того времени мощные эрбиевые усилители. Итальянцы с энтузиазмом восприняли разработки Гапонцева, но сказали, что не могут рисковать, работая с мелким российским поставщиком. И предложили Гапонцеву перевести производство в Италию. Гапонцев согласился и вскоре наладил промышленное производство мощных волоконных лазеров и усилителей в Италии и Германии.

К 2000 году прибыль компании, созданной Гапонцевым, составляла 52 млн долл. Его компания IPG не избежала общего кризиса, с которым столкнулась вся телекоммуникационная отрасль в тот период, и была вынуждена претерпеть процесс реорганизации. Гапонцеву вновь удалось добиться успеха в условиях очень сложной деловой среды, но он принял решение о том, что «IPG должна переехать в США, так как там базируется основная часть бизнеса».

К 2006 году капитализация компании Гапонцева со штаб-квартирой в Оксфорде, Массачусетс, выросла до 143 млн долл. В том же году компания вышла на IPO. Гапонцев объяснял этот шаг следующим образом: «Было бы сложно увеличить наше дальнейшее продвижение без обеспечения финансовой прозрачности и большей степени узнаваемости, которые присущи публичным компаниям». Как и его соотечественник Игорь Сикорский почти сто лет назад, Гапонцев пришел к выводу, что его идеи не принесут ему коммерческого успеха в родной стране.

Глава 10