Текст книги "Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство"

Автор книги: Ирина Радунская

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 24 страниц)

Самовоздействие

При взгляде со стороны на луч достаточно мощного лазера, проникающий в прозрачное вещество, видно, что яркость рассеянного излучения возрастает по мере его углубления в вещество. Конечно, такое возрастание не безгранично. Ведь энергия лазерного излучения постепенно расходуется, порождая рассеянное излучение. Поэтому процесс постепенно становится все менее и менее эффективным. Физики говорят – процесс идет с насыщением. Возрастание интенсивности рассеиваемого излучения постепенно замедляется, а затем уступает место ослаблению, по мере того как все более расходуется энергия излучения, исходящего из лазера.

Основываясь на нелинейной оптике, физики использовали вынужденные рассеяния для создания новых оптических приборов, открывших удивительные возможности.

Один из таких приборов назван ВКР-лазером, т. лазером на вынужденном комбинационном рассеянии. Для создания такого лазера оказалось достаточным поместить прозрачную жидкость, газ или твердое тело внутрь оптического резонатора и облучить его достаточно мощным лазером. Резонатор должен быть настроен на частоту одной из компонент комбинационного рассеяния, определяемой разностью частоты, излучаемой лазером, и одной из частот колебаний молекул выбранного прозрачного вещества. Рассеянное излучение, многократно отражаясь от зеркал резонатора, каждый раз способствует увеличению интенсивности рассеяния именно этого же излучения. В результате мощность рассеянного таким образом излучения лавинообразно возрастает, как возрастает мощность излучения обычного лазера, когда в нем начинается процесс генерации излучения. Возникающее вынужденное комбинационное излучение обладает всеми характерными признаками лазерного излучения, его узкой направленностью, его высокой когерентностью, то есть способностью к образованию четких интерференционных полос. Таким образом ВКР-лазеры способны создавать излучение, не отличающееся от излучения обычных лазеров, причем создавать его и на тех частотах, для которых не существует обычных лазеров.

Самовоздействие рассеянного излучения возникает не только в процессе комбинационного рассеяния, но и при рассеянии других типов, например при рассеянии, предсказанном Мандельштамом в 1918 году, а затем независимо изученном Л. Бриллюэном. Это вынужденное рассеяние возникает только при больших лазерных мощностях падающего излучения и не может быть получено при помощи нелазерных источников. Его называют вынужденным излучением Мандельштама – Бриллюэна.

Как и обычное рассеяние Мандельштама – Бриллюэна, оно вызвано хаотическими (тепловыми) процессами в прозрачных веществах. Здесь имеются в виду хаотические движения, в которых каждая молекула участвует как целое. Конечно, и в этом случае свет взаимодействует непосредственно с электронами, входящими в атомы, а атомы (или ионы) входят в состав молекул и колеблются относительно центров масс соответствующих молекул. Эти колебания, как известно, проявляются в процессах Комбинационного рассеяния (свободного и вынужденного).

В рассеянии Мандельштама – Бриллюэна существенны те движения, в которых молекула участвует как единое целое, это движения ее центра масс. Они проявляются в форме местных изменений плотности при случайных возникновениях небольших сжатий и разрежений. Такие сжатия и разрежения могут быть следствием звуковых, сверхзвуковых или даже гиперзвуковых волн, движущихся внутри вещества. Если даже не возбуждать каким-либо регулярным образом звуковые (гиперзвуковые) волны, то тем не менее в веществе постоянно возникают и исчезают случайные флуктуационные волны, проявляющие свое присутствие только в форме местных изменений плотности вещества.

Наряду с такими флуктуациями плотности внутри вещества всегда существуют флуктуации температуры, флуктуации теплоемкости и других величин, средние значения которых характеризуют внутреннее состояние вещества.

Рассеяние, возникающее при больших мощностях лазерного излучения, повышает интенсивность хаотических процессов в веществе, интенсивность флуктуации всех этих величин, что в свою очередь увеличивает рассеяние излучения. При этом тоже возникает самовоздействие, в результате чего любое увеличение рассеяния приводит к его дальнейшему возрастанию.

Отличается ли вынужденное рассеяние Мандельштама – Бриллюэна от вынужденного комбинационного рассеяния?

Да, отличается. Попробуем найти физическую причину наблюдаемого различия. Величина молекул много меньше длины световой волны. Поэтому на расстояниях, соизмеримых с длиной волны, излучение взаимодействует со множеством атомов, входящих в молекулы, находящиеся в различных состояниях внутренних колебаний. В отличие от этого, масштабы тепловых флуктуации, в которых молекулы участвуют как целое, много больше размеров молекул, а их возникновение и рассасывание происходит более медленно. При этом внутримолекулярные колебания не проявляют свои особенности, а возникающие более плавные неоднородности лишь незначительно влияют на длину волны рассеянного излучения. При лазерных мощностях и обратное влияние – самовоздействие – имеет соответственно плавную пространственную структуру. Такое самовоздействие возникает вследствие совместного влияния на вещество двух световых полей, обладающих малым различием длин волн.

Легко представить, что происходит, если рассеяние такого типа претерпевает плоская световая волна, то есть волна, гребни и впадины которой образуют в пространстве систему параллельных поверхностей. При этом рассеиваемые волны тоже имеют структуру множества параллельных плоскостей. Но так как скорости распространения рассеянных волн вследствие различия длин этих волн различны, то первичные волны обгоняют рассеянные волны или отстают от них. В результате сложения с рассеянными волнами первичные волны частично отражаются и поворачивают обратно к возбудившему их источнику. Рассеяние такого типа называют обратным рассеянием. По мере увеличения мощности падающего лазерного излучения вынужденное рассеяние назад становится преобладающим. Волны, возбуждаемые лазером, проникают в вещество лишь на небольшую глубину, а затем поворачивают обратно и выходят из вещества так, как если бы они встретили на пути зеркало.

Навстречу времени

Практическое применение этого явления открывает поистине потрясающие возможности. Наиболее четко они могут быть выражены фразой: вынужденное рассеяние назад позволяет обратить для световой волны направление течения времени. Фразой, кажущейся безумной каждому, знающему, что время неотвратимо течет только в одном направлении: от прошлого к будущему.

Один из первооткрывателей нового явления Б. Я. Зельдович, сын академика Я. Б. Зельдовича, с которым мы еще встретимся неоднократно, и его сотрудники приводят в качестве примера такую картину. На вышке для прыжков в воду стоит девушка. Прыжок, и она касается руками гладкой поверхности воды. На поверхности воды возникают кольцевые волны, разбегающиеся в стороны, небольшое количество брызг взлетает вверх и падает вслед за тем, как тело девушки уходит под воду; волны постепенно успокаиваются, а девушка выплывает где-то вдали, чтобы не отвлекать нашего внимания. Кинооператор фиксирует все это на пленку.

Проявив пленку, оператор может воспроизвести описанную картину на экране. Если он захочет посмотреть ее еще раз, ему необходимо перемотать пленку в обратном направлении. Перематывая ее при помощи кинопроекционного аппарата, он увидит, как на гладкой поверхности воды возникают кольцевые волны, сбегающие к центру. Вдруг из центра возникают ноги девушки. Капли, поднимающиеся со всех сторон, слетаются к центру. Тело девушки постепенно поднимается над водой. Когда она снова окажется в воздухе, поверхность воды станет зеркально гладкой – все волны и капли исчезнут там, где девушка последний раз соприкасалась с водой. Затем девушка взмоет на вышку и улыбнется точно так же, как она улыбалась перед прыжком.

Такое возможно только в кино. В реальном мире время неуклонно течет от прошлого к будущему. Обратить течение времени невозможно.

Но в некоторых физических опытах можно наблюдать явления, которые в существенной мере приближаются к тому, что было при «обращении времени» при помощи кинофильма.

Простейший пример – хороший мяч, падающий на твердый пол. Еще лучше – стальной шарик, падающий на стальную плиту. Глядя на подскакивающий шарик, мы видим то же самое, что увидели бы, обратив вспять кинопленку, зафиксировавшую его падение. Конечно, шарик не достигнет исходной высоты. Причина ясна: трение о воздух, затрата энергии на возбуждение звуковых волн внутри шарика и плиты, а также в воздухе. Но Галилей научил нас, обдумывая опыты, отделять главное от второстепенного. Второстепенное здесь – потеря энергии. Главное – обратимость механических движений, выражающаяся в том, что время входит в уравнения механики обратимо. Изучая механику, можно изменять знак, стоящий в уравнениях перед временем.

Рассматривая процесс в целом, необходимо определить, когда отброшенные «мелочи» станут существенными, а математическая модель (уравнения) должна быть уточнена. Уточнение покажет, когда обращение времени становится не соответствующим реальности. Ответ прост. Нельзя аналогично толковать опыт с шариком в тех случаях, когда потери механической энергии слишком велики и каждый последующий подскок шарика много меньше предыдущего. В этом случае требуется учет трения, приводящего к выделению тепла, а значит, для описания опыта потребуется привлечение термодинамики.

Совершенно так же обстоит дело в оптике. Оказывается, что в оптике существуют явления, развивающиеся так, будто в течение коротких интервалов времени направление событий во времени может быть изменено на обратное.

Симметрия уравнений оптики (так же, как уравнений механики) такова, что обращение времени может быть заменено обращением направлений, то есть заменой реальных движении движениями, направленными противоположно.

В оптике для этого следует заменить направление распространения световых волн (вперед и назад, от центра к центру). Такую замену называют обращением волнового фронта, а если такое обращение возникает как следствие самовоздействия, например при вынужденном рассеянии, его называют самообращением волнового фронта. Теперь эффект самообращения может быть получен при различных вынужденных рассеяниях. Установлено, что эффект самообращения очень близок к тому, что происходит при голографии и в некоторых других случаях.

При вынужденном рассеянии Мандельштама – Бриллюэна удается добиться практически полного обращения волнового фронта. Вот несколько примеров того, что может быть при этом достигнуто.

Известно, что получение в твердотельных лазерах столь узких пучков излучения, как в лучших газовых лазерах, связано с огромными трудностями и большими затратами. Причина в сложности изготовления достаточно однородных лазерных кристаллов. Существенно, что количество и степень неоднородности возрастают при увеличении размеров кристалла. Поэтому попытки использовать большой лазерный усилитель для усиления излучения, получаемого от хорошего маломощного лазера, не приводят к успеху – неоднородности усилителя портят качество усиливаемого излучения. Попытки применить еще один усилитель или вторично применить первый лазерный усилитель приведут лишь к дополнительному ухудшению качества излучения.

Но если излучение, искаженное лазерным усилителем, подвергнуть обращению волнового фронта, оно вторично пройдет тот же лазерный усилитель в обратном направлении, причем все искажения, возникшие при первом проходе окажутся скомпенсированы при обратном проходе. С ним произойдет то же, что с девушкой на кинопленке. Двукратное прохождение в прямом и обратном направлении приведет все в исходное состояние. В случае с лазерным усилителем обращение волнового фронта и двукратное прохождение через усилитель приведет к увеличению интенсивности излучения без внесения в него искажений. Так, в рубиновом лазере плохого качества удалось полностью сохранить однородность усиливаемого излучения при увеличении его интенсивности в 400 раз. Это достигается потому, что каждый из участков световой волны, прошедший определенный путь внутри лазера-усилителя, проходит в обратном направлении в точности тот же путь. При этом все искажения, приобретаемые по пути вперед, выправляются во время пути обратно. Волна, прошедшая усилитель дважды в противоположных направлениях, отличается от волны, входящей в усилитель, только тем, что она усилена и идет в противоположном направлении.

При этом существенно, что скорость света так велика, что за время его двойного прохождения состояние усилителя практически неизменно. (Вспомним, что обращение времени может быть заменено обращением направлений, только если в условиях опыта не происходят изменения оптических свойств среды.)

Вслед за Н. Г. Басовым и его сотрудниками лазерные усилители с обращением волнового фронта на вынужденном рассеянии успешно применяют для лазерного нагрева малых мишеней при термоядерных и других исследованиях. Аналогичным способом возможно самонаведение излучения лазеров через неоднородные среды, например через атмосферу, или при применении дешевых оптических деталей сравнительно низкого качества. Этой возможностью предполагают воспользоваться создатели наземного лазерного оружия, предназначенного для поражения целей в космосе в ходе звездных войн.

Нелинейная оптика, ведущая свою родословную от Вавилова, нашла пути преобразования длины волны (цвета) лазерного излучения. Стало возможным создавать приборы, порождающие из невидимого инфракрасного излучения яркий зеленый свет или любой другой из цветов, входящих в спектр излучения Солнца и даже в невидимое ультрафиолетовое и в мягкое рентгеновское излучение.

Нелинейная оптика позволила разработать сверхчувствительные приемники света, аналогичные лучшим радиоприемникам, и реализовать стабильность частоты источников света, превосходящую стабильность лучших атомных часов.

Однако это выходит за пределы, очерченные рамками главы, охватывающей лишь то, что связано с рассеянием света. Об этом будет рассказано в другом месте.

ГЛАВА 3
ОБГОНЯЯ СВЕТ

Нужны исключительные обстоятельства, чтобы имя ученого попало из науки в историю человечества.

О. Бальзак

Увидеть невидимое!

В абсолютной темноте работали дни за днями молодые энтузиасты, изучавшие в начале тридцатых годов природу света.

Изучать свет в темноте! Что может быть нелепее этого! Но тем не менее в здании Академии наук на набережной Невы ученые ежедневно входили в совершенно затемненные комнаты и подолгу сидели в них, обдумывая предстоящие опыты. Да, они сидели в абсолютной темноте и ничего не делали.

Готовились. Подготавливали свои глаза. Лишь через час ощупью подходили к заранее отрегулированным приборам и приступали к работе.

Опыт начинался. Они смотрели и видели то, что совершенно невидимо для остальных людей. Видели свечение столь слабое, что его не мог воспринять ни один из приборов, существовавших в то время.

Это были сотрудники и ученики Сергея Ивановича Вавилова, доказавшего, что человеческий глаз после часового пребывания в темноте способен видеть мельчайшие порции света, измеряемые всего десятками световых квантов-фотонов.

Советские оптики настойчиво изучали люминесценцию – странную способность некоторых веществ самопроизвольно излучать слабый таинственный свет.

Такое самосвечение наблюдают не только ученые. Помните светлячков, то вспыхивающих, то исчезающих в ночной листве? А тому, кто бывал летней ночью на южном море, не забыть серебристой вуали, окутывающей тело пловца, подводную часть лодки, превращающей в фейерверк взбитые веслом каскады брызг.

Светящиеся в темноте стрелки и цифры часов, авиационных приборов… Портреты и пейзажи, писанные светящимися красками… Почему все это светится? Какая невидимая рука поджигает вещество изнутри?

Эту-то загадку и разгадывал Вавилов и его ученики.

…Молодые люди, впервые приходящие сегодня на лекции академика Павла Алексеевича Черенкова, обычно не знают, что курс экспериментальной физики им будет читать ученый, открывший эффект Черенкова. Ведь для молодежи эффект Черенкова так же стар, как и эффект Доплера и другие явления, волнующие воображение многих поколений студентов.

Но вот звонок, и в аудиторию входит спортивного вида человек. Лекция его увлекает так, как может захватить лишь рассказ активного участника интересных событий…

В 1932 году, в то время, когда начинающий физик Павел Черенков изучал свечение растворов ураниловых солей под влиянием гамма-лучей радия, большинство особенностей явления люминесценции оставалось непонятным. Всякое оригинальное наблюдение имело здесь цену. Но особенно важным было выявление новых, неизвестных ранее закономерностей.

Приходя утром в лабораторию и подготавливая глаза, Черенков обдумывал очередной опыт.

Как изменится свечение знакомого раствора, если увеличить его концентрацию? Что будет, если разбавить раствор водой? Конечно, яркость свечения должна измениться. Но важен точный закон. Необходимо установить зависимость яркости свечения от концентрации светящегося вещества, подвергающегося воздействию радия.

Эксперимент начинается.

По мере ослабления свечения приходилось принимать дополнительные меры, для того чтобы опыт оставался безупречным. Ведь под действием радиоактивного излучения могли светиться и стенки сосуда, в котором налит раствор. Но просто вылить раствор и изучать свечение стенок пустого сосуда нельзя. Условия при переходе света из стекла в воздух резко отличаются от условий его перехода из стекла в раствор.

Решение принято. Нужно заменить раствор чистой водой. По всем оптическим свойствам, кроме, конечно, способности к люминесценции, вода очень мало отличается от слабого раствора.

Опыт поставлен. В сосуде дистиллированная вода. Но, оказывается, свечение наблюдается и в этом случае!

Что это, недостаток методики или результат переутомления глаз? А может быть, дистиллированная вода, которой он пользовался, недостаточно чиста? Прежде всего, спокойствие и контрольные опыты.

Все начинается сначала. Он берет тщательно очищенную воду и заменяет стеклянный сосуд на сосуд из плавленого кварца. Вода дважды дистиллирована и практически не содержит примесей. Он терпеливо сидит в темноте, восстанавливая остроту зрения. Опыт начинается и приводит к тому же. В растворе нет ни следа ураниловой соли, но свечение сохраняется. Ему не удается отделить мешающий свет от люминесценции раствора. Что же дальше?

Проходят дни за днями. Слухи о странных опытах Черенкова облетели весь институт. Товарищи встречают его то сочувственным, то насмешливым вопросом:

– Все еще светится?

Молодые и старые физики захаживали в лабораторию к Черенкову, чтобы собственными глазами увидеть странное свечение, которого никто еще не замечал. Приходили поразмыслить, дать совет.

Черенков не находил себе места. Ведь, столкнувшись с неожиданным, ученые обычно меньше всего думают, что эти странности принесут им Нобелевскую премию. Прежде всего экспериментатор ищет возможную ошибку. И он будет повторять опыт до тех пор, пока не устранит погрешность или не убедится, что его наблюдения не результат ошибки, а скрытая дотоле закономерность.

Проходили недели, месяцы, а Черенков все бился над загадкой непонятного, упорного свечения. Что же делать, как быть дальше?

Здесь возможно множество путей. Выбор их зависит от индивидуальности ученого, от его кругозора, от интуиции, наконец, от темперамента. Многие советуют Черенкову бросить чепуху, отдохнуть, заняться другим.

Но Черенков хочет прежде всего ясности. Он должен узнать, почему не удался опыт, чем вызывается свечение, от которого невозможно избавиться. Почему светится дистиллированная вода? Ведь до сих пор считалось, что она не способна к люминесценции. Светится ли сама вода или это остатки примесей? Однако… Он не может ничего сказать, пока не убедится в том, что вода действительно чиста. Может быть, все дело в стекле? Может быть, стекло хотя и слабо, растворяется в воде и дает это свечение?

Черенков тщательно сушит свои прибор и наливает в него другую жидкость. Все то же. Он пробует одну до предела очищенную жидкость за другой. Свечение не исчезает.

Долой стекло! Он берет чистейший платиновый тигель. Под его дно он кладет ампулу с большим, чем раньше, количеством радия. Гамма-лучи от ста четырех миллиграммов радия проходят через дно тигля в жидкость. Сверху на жидкость направлен объектив прибора. Жидкость предельно чиста, но свечение почти не ослабело. Теперь он уверен: яркое свечение концентрированных растворов – это не люминесценция. Слабое свечение чистых жидкостей имеет другую природу. Но он продолжает исследования.

И вот молодой ученый докладывает о своей работе. Шестнадцать чистейших жидкостей – дистиллированная вода, различные спирты, толуол и другие – обнаружили слабое свечение под действием гамма-лучей радия. В отличие от ранее известного, это свечение не распространяется во все стороны подобно свету от лампы, а видно лишь в узком конусе. Ось этого конуса совпадает с направлением гамма-лучей.

Установлено, что во всех этих жидкостях яркость свечения почти одинакова. Сильнее всего она в четыреххлористом углероде, слабее – в изобутиловом спирте. Но разница невелика – всего 25 процентов. Он добавлял во все жидкости азотнокислое серебро, йодистый калий и другие сильнейшие тушители люминесценции. Никакого эффекта – свечение не прекращалось. Он нагревал жидкости, это сильно влияет на люминесценцию, но яркость свечения не изменялась. Теперь он может поручиться, что это не люминесценция.

В 1934 году, после двух лет тщательного исследования, в «Докладах Академии наук СССР» появляется статья Черенкова об открытии нового типа свечения.

Сейчас черенковское излучение может увидеть каждый посетитель выставки достижений народного хозяйства в Москве. Здесь под пятиметровой толщей воды мягко сияет экспериментальный атомный реактор. Свечение, окружающее его, – это черенковское излучение, вызываемое в воде мощным радиоактивным излучением реактора.