Ирина Радунская - Крушение парадоксов
Если лучи сходятся к оси все более полого, то сходятся ли они где-нибудь в точку или плавно переходят в тонкий канал, как думало большинство? Если же они, выпрямляясь, вонзаются в точку схлопывания, как в фокус линзы, то почему они не расходятся за фокусом? А может быть, они там вновь изгибаются и плавно входят в узкий канал? Или за фокусом лучи действительно расходятся, чтобы собраться вновь в следующем фокусе?
Эксперименты, впервые вполне уверенно произведенные Чао, Гармайр и Таунсом, обнаружили узкий канал, в который обращался луч, пройдя в среде именно тот путь, который предсказывала ему теория. Последующие опыты в большинстве случаев давали аналогичные результаты. Правда, в некоторых условиях возникали какие-то обрывки светящихся нитей, которые можно было толковать в пользу гипотезы периодически сужающихся каналов.
При очень больших мощностях картина чрезвычайно усложнялась. Вместо одного узкого канала возникало несколько, а иногда и множество таких нитей. Экспериментаторы ставили удивительные по тонкости замысла и исполнения опыты. Они наблюдали то, что никогда не пришло бы в голову ни Ньютону, ни Фарадею, ни Френелю — королям оптики. В те годы они и не помышляли о том, как глубок океан тайн света.
Но современных теоретиков все эти находки экспериментаторов не смутили. В нелинейных средах возможно и не такое. Теория убедительно показала, что уже на ранних стадиях фокусировки исходный пучок может распасться на несколько частей, тяготеющих к различным областям. В статьях замелькало магическое слово «неустойчивость». Действительно, из более точных уравнений следовало, что при очень больших мощностях пучки становятся неустойчивыми и стремятся распасться на отдельные нити. Казалось, все хорошо, но... что же все-таки происходило с пучками там, вблизи точек схлопывания?
Луговой не мог удовлетвориться общепринятым, основанным на опыте представлением о том, что там, безусловно, возникает узкий канал. Его не удовлетворяло это «безусловно», этот постулат, который нужно было принять на веру, как постулат о параллельности в геометрии Эвклида.
Свыше двух тысячелетий на этом постулате строилась геометрия, а затем и физика. До тех пор пока не нашлись люди, отказавшиеся принимать его на веру. Что будет, если отказаться от этого постулата, спросили они себя. Можно ли обойтись без него? Невозможно, ответила строгая математика.
Но, может быть, его можно заменить другим, упорствовали критиканы. Попробуйте, соглашалась математика.
И они попробовали, Лобачевский и Риман. И создали две новые геометрии. Две неэвклидовы геометрии. Они работали независимо и, конечно, случайно избрали различные из двух существующих возможностей — параллельные линии в бесконечности сходятся или параллельные линии в бесконечности расходятся. Оба варианта столь же правомочны, как постулат Эвклида.
Теперь неэвклидова геометрия — полноправный отдел математики и надежный инструмент физики. Вселенная, изучаемая в огромных масштабах, не может быть описана при помощи эвклидовой геометрии. Вблизи больших масс отклонения от нее заметны и при сравнительно малых расстояниях. Это установил автор теорий относительности Эйнштейн, а затем убедительно подтвердил опыт.
Но если даже чисто геометрический постулат может оказаться лишь особым, частным случаем, то как можно примириться с постулатом в физической теории!
И Луговой сообщает о своих сомнениях тому же семинару, перед которым за пять лет до этого Аскарьян выдвинул идею самофокусировки и самоканализации света. Он обращает внимание на то, что приближенные аналитические методы, основанные на предположении о неизменной форме пучка, не могут дать правильной картины за точкой схлопывания. Он показал, что при распространении интенсивного светового пучка в нелинейной среде его форма существенно изменяется.
Статья Лугового, содержащая эти соображения и результаты, появилась в журнале «Доклады Академии наук СССР» в 1967 году. Но во всех экспериментальных работах, продолжавших появляться до следующего года, сообщалось о том, что за точкой схлопывания пучка наблюдается волноводное распространение света в виде очень тонких ярких нитей.
Ответ машины
Только Прохоров поддержал своего молодого сотрудника. Он сам включился в эти исследования и привлек к ним А.Л. Дышко, специалистку по вычислительной математике. Раз приближенные аналитические методы оказались непригодными, пришлось призвать на помощь электронную вычислительную машину. Предстояла сложная трудоемкая работа.
Решили отказаться от каких-либо предвзятых предположений о судьбе пучка за точкой схлопывания. Машине были предложены уравнения, описывающие наиболее простую задачу: на плоскую границу вещества, о котором известно, что в нем наблюдается квадратичный эффект Керра, падает пучок света. Машина должна была определить, что будет происходить с ним по мере продвижения в глубь вещества.
Легко представить волнение, с которым исследователи ожидали результат, рождавшийся в электронных недрах вычислительной машины БЭСМ-6.
Проработав положенное время, машина сообщила: при этих условиях волноводного режима нет. За точкой схлопывания образуется некоторое число фокусов — областей с очень высокой концентрацией энергии и чрезвычайно малыми размерами.
Ответ в корне расходился не только со всеми вариантами существующих теорий, но и противоречил всем известным экспериментальным данным!
Было от чего прийти в уныние. Ведь они надеялись получить строгую и надежную картину перехода от постепенной самофокусировки через точку схлопывания к тонкой нити. Но ошибки не было. Уравнения верны, и машина сработала правильно.
Тогда они предложили машине вторую задачу, точнее соответствующую условиям большинства опытов. Перед попаданием в нелинейную среду пучок света предварительно проходит собирающую линзу. Машина решила и эти уравнения.
Ответ был тем же. Никакой нити. Цепочка отдельных фокусов.
В чем же дело? Может, постановка задачи в чем-то не соответствует реальности? Возможно, цепочка фокусов результат того, что из всего многообразия явлений при расчете учитывался только эффект Керра? Вполне вероятно и такое предположение — возникновение тонких нитей вызвано не эффектом Керра, а каким-то другим процессом.
Уравнения были усложнены. Теперь они отражали и действие вынужденного комбинационного рассеяния. Явления хорошо изученного, проявляющегося особенно сильно при больших интенсивностях света и известного как одна из причин самофокусировки.
Снова часы ожидания перед машиной. И новый ответ. Многофокусная структура должна существовать! Учет вынужденного комбинационного рассеяния приводит только к изменению численных величин. Узкого канала не возникает и в этом случае.
Казалось, оставался единственный путь. Перебирать один за другим все эффекты, способные привести к формированию тонких каналов. Записывать все новые, вероятно все более сложные, уравнения. И уповать на мощь БЭСМ-6. Возможно, что будет обнаружен эффект, ответственный за волноводное распространение света, за образование тонких, ярко светящихся нитей.
Нужна мощная интуиция для того, чтобы избрать другой путь. Отвергнуть очевидность многочисленных опытов. Отказаться от обаяния общепризнанных теорий. Сойти с проторенной тропы.
Прохоров и Луговой решили по-новому взглянуть на ответы машины. Не как на ошибку. Не как на результат неверного выбора исходных физических данных. А как на правильный вывод, соответствующий слишком упрощенно поставленной задаче. Ведь гигантский импульс лазера длится мгновение, точнее — десятки наносекунд, проще — сотые части от миллионной доли секунды. А они предлагали машине задачи, в которых пучки света действуют непрерывно с постоянной мощностью. И в зависимости от этой мощности получали различные расстояния до множества фокусов.
Вот где причина! Во время гигантской вспышки лазера мощность света меняется от нуля до огромной величины. Расстояния до фокусов не могут при этом быть постоянными. Они должны изменяться вместе с увеличением мощности. Фокусы должны перемещаться!
Бегущие фокусы?
Да, бегущие фокусы. Вот разгадка тайны. Может быть, они бегут так быстро, что и для глаза, и для приборов они сливаются в яркую непрерывную нить?
Новые сложные расчеты оправдали надежды. Да, конечно, фокусы движутся! При условиях, характерных для большинства экспериментов, выполненных в различных лабораториях, фокусы летят со скоростью, близкой к миллиарду сантиметров в секунду. Скорость, всего в тридцать раз меньшая, чем скорость света!
Не мудрено, что траектория их движения выглядит как яркая светящаяся нить.
Теперь слово опять должно быть предоставлено эксперименту. Но эксперименту, поставленному в полном соответствии с условиями, для которых Прохорову и его сотрудникам удалось сформулировать задачу и выполнить соответствующие расчеты.
