Ирина Радунская - Проклятые вопросы
Постепенно выяснилось, что формальное обращение времени проявляется во многих теориях физических процессов, кроме тепловых. Это значит, что для любого возможного движения физической системы, не связанного с выделением или поглощением тепла, может осуществляться обращённое во времени движение. При этом система последовательно проходит в обратном порядке состояния, симметричные состояниям, которые она прошла первоначально. Учёные пока обнаружили только один случай нарушения симметрии относительно направления течения времени: это распад долгоживущего К-мезона. Причина этого нарушения, природа сил его вызывающих, ещё не установлена.
Кино делает очевидной условную симметрию течения времени. Если на плёнке зафиксировано падение шарика или раз ряд молнии, то, прокручивая плёнку в обратном направлении (обратив течение времени), мы увидим, как шарик поднимается вверх, а молния постепенно укорачивается и исчезает.
Конечно, и не прибегая к обращению времени, можно заставить шарик изменить направление движения и лететь вверх. Для этого достаточно толкнуть его снизу вверх. Но существуют процессы, идущие лишь в одном направлении. Например, горение. Только в кино (двигая плёнку в обратном направлении) можно увидеть, как горящая спичка удлиняется, а потом пламя гаснет и спичка вновь оказывается целой. Термодинамика описывает этот процесс. Но она не объясняет необратимость времени. Наоборот, необратимость времени лежит в основе термодинамики.
Поэтому невозможно получить термодинамику из механики. Невозможно именно потому, что в механике не заложена необратимость времени.
В школе, по традиции, вначале изучают механику, затем электричество, магнетизм и только потом начатки электродинамики. Так в нашем сознании формируется дробление науки. Позднее нам трудно почувствовать и осознать единство природы, связи между различными отраслями науки, изучающими природу с различных точек зрения.
Поговорим о волнах. О видимых волнах, бегущих по поверхности воды. О невидимых, но слышимых волнах звука. О невидимых и неслышимых радиоволнах.
Вспомним об океанских волнах, вид которых произвёл огромное впечатление на молодого Ньютона, дав ему понять необозримость неведомого и ограниченность человеческих усилий. И ещё вспомним слова Козьмы Пруткова: «Бросая в воду камешки, смотри на круги, ими образуемые; иначе такое бросание будет пустою забавою».
Последуем же совету премудрого Козьмы.
Бросим маленький камешек в самую середину кастрюльки, наполненной водой. В месте его падения возникнут разбегающиеся кольцевые волны. Об этих кругах и говорил мудрец. Добежав до стенок, они повернут обратно.
Если камень попал в центр кастрюльки, а её стенки не деформированы, волны, отразившись от стенок, побегут назад, оставаясь круговыми, и будут повторять свой путь раз за разом, как бы отражаясь от центра. Если не обращать внимания на медленное затухание волн, вызванное превращением их энергии в тепло, то картина будет многократно повторяться. Теперь невозможно узнать, родились ли волны в центре или их каким-то образом породили стенки кастрюльки. Если снять кинофильм, то изображения, видимые при движении киноплёнки в любом направлении, неотличимы от видимых при противоположном направлении движения киноплёнки. Так проявляется независимость механических явлений от направления во времени.
Если же стенки кастрюльки деформированы, то после первого прохода волны перестанут быть круговыми, и вскоре поверхность воды окажется покрытой хаотической рябью. Теперь снятый кинофильм утратит обратимость: просматривая его в одном направлении, мы увидим, что рябь становится всё более хаотичной, а при противоположном направлении хаос будет упрощаться и картина будет всё более регулярной. Не приводит ли в данном случае нерегулярная деформация стенки к необратимости процесса во времени? Это важный вопрос, но оставим его на дальнейшее.
Подобная рябь возникнет и в том случае, когда стенки кастрюльки идеально круглые, но на её дне имеются бугры и впадины, а слой воды так тонок, что наиболее высокие бугры едва покрыты водой. Даже если камешек падает точно в центре, круги будут деформированы уже при первом проходе. Так действует зависимость скорости распространения волны от глубины воды. При следующих проходах отличие фронта волны от круговой симметрии будет всё более возрастать.
Заметив это, естественно приходишь к вопросу: можно ли сделать так, чтобы и в кастрюльке с деформированным дном волны собирались в её центре?
Этот вопрос наверное не возник бы или оказался забытым, если бы речь шла только о волнах в кастрюльке.
Иное дело, когда речь идёт о световых волнах, особенно о волнах, испускаемых лазером.
Излучение лазера обладает большой упорядоченностью. Особенно упорядочены лучи газовых лазеров. Причина — высокая однородность газов по сравнению с твёрдым телом, например со стеклом или кристаллом. Чем однороднее рабочее вещество лазера, тем меньше расходится световой пучок, тем меньше разброс длин волн, излучаемых лазером. Тем легче собрать излучение лазера в маленькое пятнышко. А это бывает необходимо во многих случаях применения лазеров. Тем меньше ослабевает интенсивность лазерного излучения с увеличением расстояния. Это особенно важно при применении лазерных маяков в навигации или лазерных нивелиров в геодезии и при строительных работах.
Физиков давно преследовало желание совместить в одном приборе два качественных преимущества разных лазеров: способность стеклянных лазеров к генерации световых пучков, обладающих большой энергией, с малой расходимостью пучков, присущей газовым лазерам.
Уже первые оценки показали, что главным препятствием здесь являются неоднородности оптических свойств среды, в которой распространяются лучи лазера. Таковы неоднородности показателя преломления атмосферы, вызывающие отклонения лучей света от прямой линии и искажение фронта световых волн.
Конструкторы много работают над тем, чтобы повысить энергию, излучаемую компактными твердотельными лазерами, без ухудшения «качества» их излучения. Почему это так важно?
Энергия излучения лазера непосредственно связана с объёмом вещества, охваченного процессом генерации этого излучения. Но чисто технологические причины приводят к тому, что величина внутренних неоднородностей в лазерном веществе увеличивается с ростом его объёма. Увеличение внутренних неоднородностей в свою очередь приводит к ухудшению «качества» лазерного излучения. Излучение, выходящее из лазера, становится более неоднородным по сечению светового пучка. Пучок быстрее расширяется по мере удаления от лазера. А спектр излучения становится более широким (в нём присутствует большее число световых волн, различающихся своей длиной).
Казалось, этого можно избежать при помощи лазера, содержащего очень малый объём активного лазерного вещества. Ведь его несложно сделать однородным, а значит, «качество» генерируемого излучения станет высоким. Затем, конечно, нужно пропустить излучение этого лазера-генератора через мощный лазер — усилитель. Но надежда на то, что таким путём можно получить высококачественное мощное лазерное излучение, эфемерна. Ведь мощный лазер-усилитель должен содержать большой объём активного лазерного вещества. А это неизбежно приводит к увеличению неоднородности усиленного лазерного пучка.
Можно ли преодолеть эту трудность? Как добиться того, чтобы (несмотря на неизбежные неоднородности материала, работающего в лазере-усилителе) свойства усиленного излучения были бы не хуже свойств излучения, подлежащего усилению?
Ответ на эти вопросы подсказывают мысленные опыты с кастрюлькой, проведённые нами выше. Нужно заставить свет, прошедший через неоднородную среду, возвратиться обратно точно по тому пути, по которому он распространялся первый раз! Тогда все искажения, возникшие при первом прохождении, повторятся на обратном пути, но с обратным знаком. А значит, в итоге все искажения взаимно уничтожатся!
Выполнить этот простой рецепт весьма непросто. Даже в случае волн в кастрюльке с деформированным дном. Здесь рецепт звучит так: деформируйте стенки кастрюльки таким образом, чтобы при первом пробеге фронт волны коснулся её деформированных стенок повсюду одновременно. Благодаря тому что фронт волны на поверхности воды хорошо виден, это требование, хотя бы в принципе, выполнимо.
Иное дело — фронт световой волны. Сделать его видимым — сложная задача. Она может быть решена, например при помощи голографии. При помощи голографии можно достичь и главной цели — повернуть световую волну в обратном направлении так, чтобы в месте поворота фронт волны, бегущей обратно, точно совпал с фронтом приходящей волны.
САМООБРАЩЕНИЕНо группа учёных Физического института РАН достигла этой цели другим путём, более простым, чем голография. Они заставили саму исходную световую волну сформировать своеобразное «зеркало», отражение от которого заставляет отражённую волну вернуться обратно, повторяя во всех деталях путь волны, идущей в первоначальном направлении. Они назвали этот процесс самообращением волнового фронта.
