Ирина Радунская - Крушение парадоксов
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.
В 1963 году в тоненькой книжечке журнала «Письма ЖЭТФ» Н.Ф. Пилипецкий и А.Р. Рустамов сообщили о первом экспериментальном наблюдении нового явления — самофокусировке световых лучей. В их опытах были фотографически зарегистрированы тонкие светящиеся нити в жидкостях, через которые проходил предварительно сфокусированный луч рубинового лазера. В наши дни эффект самофокусировки проявляется в большинстве опытов, связанных с прохождением гигантских импульсов света лазеров через жидкости. Эффект можно наблюдать и в газах, и в твердых телах.
Новый эффект требовал и теоретического анализа. Первым рассчитал профиль светового пучка, самоканализирующегося под влиянием высокочастотного эффекта Керра, молодой физик из Горького, теперь уже профессор, В.И. Таланов.
Таланов принадлежит к третьему поколению замечательной советской школы физиков, основанной академиками Мандельштамом и Папалекси. Эта школа прославила нашу страну замечательными трудами и крупнейшими открытиями в области нелинейной теории колебаний, радиофизики, оптики и многих других сфер науки. Ко второму поколению этой школы принадлежат такие выдающиеся ученые, как академики А.А. Андронов и М.А. Леонтович. В ее третье поколение входят академики А.В. Гапонов, В.Л. Гинзбург, а также создатели квантовой электроники академик А.М. Прохоров и академик Н.Г. Басов, начинавший свою научную работу под руководством Прохорова, но бывший первоначально учеником академика И.Е. Тамма, сотрудника Мандельштама.
Пусть читатель простит меня за этот экскурс в научную генеалогию. Она здесь совсем не излишня.
А теперь ненадолго перейдем к истории и упомянем о географии.
В годы первой пятилетки наш народ начал поход за большой наукой. Расширялись старые научные центры, создавались новые. Один из них был заложен на Волге, в старом промышленном городе Горьком. Школа Мандельштама послала туда крепкое ядро. В него вошли талантливые молодые физики А.А. Андронов, Г.С. Горелик, М.Т. Грехова и другие. Они поддержали и умножили традиции школы. И, в свою очередь, вырастили поколение учеников. К ним относится и Таланов.
Прежде чем заняться теорией самоканализирующихся световых пучков, Таланов успел внести существенный вклад в нелинейную теорию колебаний и в теорию распространения электромагнитных волн. Самоканализация электромагнитных волн — один из типичных примеров того, как нелинейности определяют наиболее существенные явления. Здесь Таланов был во всеоружии. Его теория была построена для распространения интенсивного пучка электромагнитных волн в плазме. Но в ней полностью содержалась основная картина — формирование волноводного канала в любой среде, где канал может поддерживаться действием самого поля. Впоследствии он разработал весьма общую теорию этого явления, получил ряд новых важных результатов. Но о них позже. Теперь мы должны пересечь океан.
В том же году, когда появилась работа Таланова, в журнале «Письма в Физические обозрения», печатающем только те статьи, которые и автор и редактор считают срочными, появилась статья Р. Чао, Е. Гармайр и Ч. Таунса «Самофокусировка луча оптического мазера». Американский физик Таунс, один из творцов квантовой электроники и мазера, не применяет слова «лазер», предпочитая ему сочетание «оптический мазер». Не наше дело обсуждать терминологические споры. Мне, как и другим непосвященным, они кажутся лишенными глубокого смысла. Ведь лазер и оптический мазер означают точно одно и то же. Возможно, здесь играют роль вопросы престижа или более глубокие мотивы.
Статья начиналась так: «Ниже мы рассмотрим условия, при которых электромагнитный луч создает себе диэлектрический волновод и распространяется не дифрагируя». Авторы не знали о работе Аскарьяна, но позднее, узнав о ней, признали его приоритет. В отличие от Таланова, рассмотревшего в своей первой работе лишь движение электромагнитной волны в плоском канале, они рассчитали цилиндрический канал, возникающий в подавляющем большинстве опытов с лазерами. Их короткая статья содержит глубокое и ясное рассмотрение физической сущности двух процессов, способных вызвать самофокусировку и канализацию света, — электрострикции и керр-эффекта.
Таунсу и его сотрудникам удалось рассчитать, при какой мощности, в каких условиях будет подавлена дифракционная расходимость луча и он окажется захваченным в канал. Правда, значение критической мощности было вычислено только при учете электрострикции. Существенным ограничением явилось и то, что математические вычисления относились только к состоянию, при котором луч уже захвачен в канал. Как это произошло и возможен ли вообще процесс захвата, осталось за пределами математического рассмотрения.
Статья Таунса с сотрудниками стимулировала целый ряд исследований. П. Келли, по-видимому, первым рассмотрел процесс схлопывания первоначально параллельного пучка света и установил, на каком расстоянии после вхождения света в нелинейную среду происходит самофокусировка. Интересно, что, указывая на своих предшественников, Келли располагает их в таком порядке: Аскарьян, Таланов, Таунс с сотрудниками.
Келли получил свои главные результаты при помощи численных расчетов. Вскоре Таланов, а затем сотрудники Московского государственного университета С.А. Ахманов, А.П. Сухорукое и Р.В. Хохлов опубликовали аналитическое решение той же задачи. Однако приближенные методы, которые пришлось применить для решения этой весьма сложной задачи, теряли силу вблизи точки схлопывания. Численное решение Келли тоже не говорило ничего о том, что же происходит с пучком вблизи точки схлопывания и за ней. Мнение, высказанное впоследствии Келли, а также Талановым, таково: лазерный луч за точкой схлопывания переходит в очень тонкую и чрезвычайно интенсивную световую нить. То же писали Таунс и другие. Лишь Хохлов и его товарищи из МГУ допускали, что за точкой схлопывания возможно образование более сложного и узкого своеобразного световода, подобного нити с периодически изменяющимся поперечным сечением.
Все последующие теоретические работы исходили из того, что за точкой схлопывания возникает волноводный режим распространения света. Все они были посвящены уточнению отдельных деталей, повышению строгости математических выкладок, уточнению расчетов.
Все, решительно все экспериментальные работы тех лет подтверждали предсказание теории. В них сообщалось о том, что за точкой схлопывания наблюдается волноводное распространение света в виде очень тонких нитей. Экспериментаторы соревновались в уточнении мельчайших подробностей, изучении разнообразных частных случаев, в увеличении точности измерений.
Все сходились на том, что эта область квантовой электроники в основном завершена. Были написаны итоговые статьи и монографии. Интересы исследователей постепенно перемещались в другие области науки.
Тонкое место
Как это часто бывает, благополучие и рутина чреваты катаклизмами. Они тем неожиданнее, чем более основательным кажется возведенное здание. Но катаклизмы безошибочно указывают, что под фундаментом нет достаточно надежной основы. Хорошо, если слабина своевременно обнаружена. Ее можно ликвидировать и продолжать украшать и наращивать башни.
Однако нужно, чтобы делом занялся не эстет-архитектор, а любитель основательности, не гнушающийся сумрачной серости грунтов и обыденности фундаментов.
В нашей истории, к счастью, такой любитель нашелся. Молодой сотрудник лаборатории колебаний ФИАН, представитель четвертого поколения школы Мандельштама, Владимир Николаевич Луговой обратил внимание на известное всем тонкое место теории самофокусировки. В нем как в фокусе сошлись все варианты теории. Большинство авторов понимало трудности, возникавшие при попытке точно описать поведение лазерных лучей вблизи точки схлопывания. Понимали — и даже не пытались детально разобраться в том, что там происходит. Ведь приходилось ограничиваться приближенными теориями. А приближенные теории говорили разное.
Из одних получалось, что по мере приближения к этой точке лучи, ранее изгибавшиеся к оси, постепенно начинали подходить к ней все более полого. В других теориях эти лучи выпрямлялись и входили в область, где теория теряла силу, так что продолжения всех лучей должны были бы сойтись в точке схлопывания, как в фокусе. В третьих... но не будем углубляться в различные варианты.
Во всех случаях оставалось совершенно неясным, как же лучи света ведут себя там, куда теоретики не могут проникнуть. Что с ними происходит дальше? Не берет ли дифракционная расходимость верх над нелинейными процессами там, где лучи сходятся слишком сильно? Не начинают ли сказываться какие-то еще не учтенные процессы?
