Ирина Радунская - Крушение парадоксов
Размышления... Сопоставления, казалось бы, далеких фактов... Наскоро написанные и зачеркнутые формулы... Уныние и надежды... И вдруг озарение. Всегда вдруг. Вывод, от которого отскакивают все возражения.
На этот раз ответ гласил: должно существовать множество прозрачных веществ, в которых лазерный луч не будет расходиться, как следовало бы ожидать на основе бесспорной теории Френеля.
Нет, Аскарьян не думал опровергать теорию Френеля. Он не сомневался в ней. Просто он понял, что в наш лазерный век условия изменились. На авансцене появились новые силы, совсем незнакомые Френелю. Силы, бывшие в то время второстепенными, вышли на первый план.
Давно забытый астроном Снеллиус установил закон преломления света. При переходе границы между двумя прозрачными средами падающий луч изламывается, давая начало преломленному. Первоначально ученые имели дело только с переходом света из воздуха в другую прозрачную среду или обратно — из такой среды в воздух. Угол между падающим и преломленным лучами в таких случаях определяется только свойствами среды. Точнее, лишь одной ее характеристикой, называемой показателем преломления.
Великий Максвелл считал эту величину одной из важнейших постоянных и ввел ее в свои знаменитые уравнения. Впрочем, уже в то время было известно, что показатель преломления не является постоянной величиной в полном смысле слова. Для каждого вещества он неизменен только при определенных внешних условиях. Он изменяется с температурой и давлением, под действием электрического и магнитного полей. Это знали все мало-мальски знакомые с оптикой. В свое время ученые, интересовавшиеся оптикой, в достаточной мере выяснили, как зависит показатель преломления от внешних условий.
В неведомое
Аскарьян знал, что лазеры открыли широкий путь в область, в которую еще не входил никто, кроме Вавилова и его учеников, — в область нелинейной оптики. Да и они лишь вступили на ее порог, только доказали реальность ее существования. В этой неизученной области «постоянные» величины изменяются даже при абсолютно неизменных внешних условиях. Они зависят от мощности самого света, и остро чувствуют его изменения.
Правда, при жизни Вавилова источники света были столь маломощны, что потребовалось все его искусство, чтобы продемонстрировать реальность таких процессов.
Но теперь положение в корне изменилось. Мощность лазерного луча может быть столь велика, что от него должен зависеть показатель преломления. А раз так, лазерный луч должен при известных условиях сам себя изгибать!
«Прежде всего это должно выявиться, — думал Аскарьян, — в отступлении от френелевских законов распространения света».
Из законов Френеля следует, что в оптике многое, кажущееся совсем простым, совершенно недостижимо. Например, никому не удастся получить совершенно параллельный пучок света, вырезав при помощи узкого отверстия середину почти параллельного пучка. Если первоначальный пучок выходил из широкого отверстия, то трудно установить, параллелен он или нет. Но если отверстие, при помощи которого вырезается узкий луч, достаточно мало, то установить не параллельность выходящего из него луча не составляет труда. Нужно лишь отойти достаточно далеко от отверстия.
Настоящая наука не терпит таких неопределенных понятий, как «достаточно». В этом случае, конечно, существует вполне определенное расстояние, на котором не составляет труда обнаружить расплывание света поперек пучка. Для него существует даже специальное название — «дифракционная длина». И если размеры отверстия увеличить вдвое, она возрастает в четыре раза.
Дифракционное расширение пучков света не зависит от природы вещества. В пустоте оно таково же, как в любой прозрачной среде. И оно не зависит от интенсивности света. Лазерный луч любой мощности так же подвластен законам Френеля, как свет далеких звезд.
Идея Аскарьяна состояла в том, что под действием мощных лучей лазеров в некоторых веществах должны возникнуть новые процессы, способные преодолеть дифракционное расширение пучков света. В таких веществах мощные пучки света должны бежать не расширяясь, а еще более мощные должны даже сжиматься! Любой из процессов, приводящих к увеличению показателя преломления вещества, по мере возрастания интенсивности света может в конце концов побороть утечку энергии из пучка, вызванную дифракцией.
Около ста лет назад шотландский ученый Джон Керр открыл явление, обнаружить которое хотел еще великий Ломоносов. В одной из своих программ Ломоносов писал: «Надо сделать опыт, будет ли луч света иначе преломляться в наэлектризованном стекле и воде». Этого же безуспешно пытался достичь гений эксперимента Фарадей.
Керр установил, что преломление света в стекле радикально изменяется, если поместить его между обкладками конденсатора, заряженного до высокого напряжения. Можно представить себе радость ученого, обнаружившего то, к чему безуспешно стремились его великие предшественники. Узкий луч света, идущий через стекло, при включении электрического напряжения внезапно расщеплялся на два, расходящихся под углом друг к другу. При выключении напряжения эффект исчезал. Да, в электрическом поле стекло вело себя иначе, чем обычно. Электрическое поле превращало стекло в подобие исландского шпата, кристалла, в котором еще в 1670 году копенгагенский профессор Эразм Бартолин обнаружил расщепление лучей света — двойное лучепреломление.
Тогда это было воспринято чуть ли не как фокус. Позже его наблюдали во многих кристаллах. А затем оказалось, что его можно вызывать искусственно и в тех кристаллах, где оно в обычных условиях не наблюдается, и даже в стекле. Для этого достаточно нажать на них или подвергнуть их неравномерному нагреву. И вот ему, Керру, удалось получить двойное лучепреломление под действием электрического поля!
Но... настоящего ученого отличает прежде всего способность к самокритике. Впрочем, эта способность отличает каждого настоящего человека независимо от его специальности. Керр знал, что двойное лучепреломление в стекле может быть вызвано и электрострикцией — деформацией тел под действием внешнего электрического поля. Подобная деформация, как и простое нажатие, делает свойства стекла зависящими от направления. Значит, необходимо еще убедиться, действительно ли обнаружено новое явление — появление двойного лучепреломления в результате непосредственного влияния электрического поля — или в процессе участвует электрострикция.
Но Керр знал и другое. Электрострикция не способна вызвать двойного лучепреломления в жидкостях. Значит, надо повторить опыт в жидкости. И Керр нашел жидкости, в которых наблюдается этот новый эффект, электрооптический эффект, вошедший в науку под названием явления Керра. Впоследствии Керр обнаружил, что появление двойного лучепреломления в некоторых веществах можно вызвать и при помощи магнитного поля, но это выходит за пределы нашей темы.
Для нас существенно, что электрооптический эффект не сводится к возникновению двойного лучепреломления. Электрическое поле, не только постоянное, как в опытах Керра, но и меняющееся во времени, в том числе и электрическая часть световой волны, приводит к изменению показателя преломления прозрачных тел. Причем показатель преломления увеличивается вместе с ростом интенсивности света. Это один из процессов, способных в соответствии с идеей Аскарьяна привести к компенсации дифракционной расходимости световых пучков.
История и география
Аскарьян рассказал о своих соображениях на семинаре по квантовой электронике, происходящем в ФИАНе с участием большинства московских и многих иногородних специалистов, а затем опубликовал свои результаты в известном во всем мире «Журнале экспериментальной и теоретической физики».
Эта небольшая статья отличается столь характерным для Аскарьяна богатством и новизной содержания. В ней показано, что явление имеет не только теоретическое, познавательное значение, но и чисто практическое, очень важное и перспективное. По мнению Аскарьяна, поперечную неоднородность поля интенсивного электромагнитного луча можно по желанию использовать для втягивания электронов и атомов к оси пучка или для выталкивания их наружу и создавать таким способом сжатие или разрежение газа. Можно создать в газе канал для прохода электронов или плазмы. Сделать «пробку» у отверстия, соединяющего сосуды, в которых различны давления газа. Применить для нагрева плазмы, для транспортировки плазмы, для создания плазменных токопроводов. И конечно, для создания волноводов и самофокусировки...
Для многих специалистов, работающих в наиболее сложных областях физики плазмы, это прозвучало так, как если бы обыкновенному смертному сообщили, что теперь можно ходить по морю как посуху.
