Тут все что вы хотели бы знать о них !
Слова «мазер» и «лазер» знакомы нам уже десять лет. О них теперь знают не только ученые. Не только журналисты. Но даже школьники.
А мазеры и лазеры сделались не только орудием техники, но и скальпелем науки. И они помогли обнаружить столько неожиданных явлений, что ученым впору собрать все свои знания и силы, чтобы ринуться на штурм самых глубинных свойств материи, о которых до появления мазеров и лазеров они и не подозревали.
Оказалось, самое интересное только начинается...
Эвклид, создатель геометрии, написал и первый труд, посвященный свету. В его «Оптике» сформулирован закон, определяющий поведение световых лучей, закон отражения света от зеркал: угол падения равен углу отражения.
Люди пользуются этим законом более двух тысяч лет. Еще раньше стало ясным, что свет распространяется по прямой. У Эвклида луч света служит символом прямой линии. Понадобилось столетие, чтобы убедиться в том, что «закон природы», сформулированный человеком, может быть нарушен.
Земляк Эвклида – Птолемей учитывал искривление лучей света в атмосфере при своих замечательных астрономических наблюдениях. Но, несмотря на высокую точность измерений, и Птолемей ошибся. Он счел, что угол преломления пропорционален углу падения. Что, впрочем, не сильно отличалось от истины при тех небольших углах, с которыми имел дело Птолемей.
В течение более чем пятнадцати веков те, кого называли учеными, считали, что в оптике все кристально ясно. Ремесленники все лучше и лучше шлифовали линзы для людей, страдавших плохим зрением. Венецианские и голландские мастера комбинировали свои линзы в зрительные трубки, чудесным образом приближавшие отдаленные предметы и обнаруживавшие удивительные детали при рассмотрении близких предметов.
Даже великий Галилей, усовершенствовавший голландскую трубку и направивший свой телескоп на Солнце, Луну и планеты, по-видимому, особенно не задумывался над тем, как эта трубка действует.
Лишь через тридцать лет после того, как Галилей сообщил потрясенным современникам о том, что и на Солнце бывают пятна, а планета Юпитер имеет четыре луны, появилось сочинение под названием «Диоптика». Его автором был французский философ, физик и математик Декарт. Он стремился привести все доступные ему знания в соответствие с общей картиной мироздания, созданной им в результате критического анализа работ предшественников и строгих логических построений.
Мало кто всерьез отнесся к трудам легкомысленного офицера. Репутация автора не располагала к доверию. Декарт после окончания колледжа вел бурную жизнь офицера, участвуя в Тридцатилетней войне, отдавая должное светской жизни. Мало кто знал, что он выкраивал время для занятий философией и математикой.
В тридцать лет он почувствовал непреодолимую тягу к науке. Ему исполнилось тридцать два, когда им были закончены «Правила для руководства ума», изданные лишь посмертно. Деятельность, враждебная схоластике и церковному догматизму, заставила Декарта покинуть родину и поселиться в Голландии, где он прожил двадцать наиболее плодотворных лет, до 1649 года, когда преследования церковников вынудили его переехать в Швецию. Здесь он вскоре умер.
В «Диоптике» Декарт систематизировал сведения об оптических явлениях, пришедшие почти неизменными из глубокой древности. Все они были чисто описательными. Он же стремился вскрыть причины явлений и отыскать в них внутренние закономерности. Декарт полностью отрицал возможность действия на расстоянии. Он был убежден, что всякое действие передается через давление и толчки. Никаких других сил в то время никто не знал. Все процессы, с его точки зрения, сводятся к пространственному перемещению тел.
Каждый человек ощущал в жаркий день нестерпимое давление солнечных лучей. Не удивительно, что Декарт считал, что свет – не что иное, как передача давления от источника через особую тонкую среду, заполняющую все пространство. Древние ученые приготовили слово, подходящее в качестве названия для этой среды, – «эфир». Так эфир вошел в науку. Декарт описал механические свойства среды, способной, по его мнению, передавать давление с бесконечной скоростью на любые расстояния.
Декарт включил в «Диоптику» наряду с законом отражения света, пришедшим от Эвклида, и закон преломления света, открытый им самим за семь лет до выхода его книги. В то время не было принято спешить с опубликованием открытий, даже таких, которые опровергают закон великого Птолемея, считавшийся неоспоримым свыше полутора тысяч лет. Впрочем, впоследствии оказалось, что голландец Снеллиус установил тот же закон опытным путем за девять лет до Декарта и вовсе не счел нужным его опубликовать.
– Ну и порядки, – сказал один из моих знакомых физиков, прочитав это место рукописи, – теперь я вижу пользу изучения истории науки. А ведь мы негодуем, когда редакция журнала задерживает наши заметки на лишний месяц! – Подумав немного, он добавил: – Не понимаю, почему в учебниках этот закон все же называется законом Снеллиуса. Ученый работает не для себя, глупо держать полученные результаты под спудом. Они принадлежат людям. Их необходимо публиковать!
Да, не те времена, не те и песни. Другой темп, иное отношение к науке и ее творцам. В то время наука лишь медленно набирала темп после мертвящего застоя средневековья. Прошло еще около тридцати лет до следующего шага, когда Гук в своей «Микрографии» объяснил свет быстрыми и очень малыми колебаниями, проходящими через эфир на наибольшее вообразимое расстояние за наименьшее вообразимое время. Гук уже знает, как объяснить происхождение радужных цветов, когда белый свет проходит через призму. Он заново выводит закон преломления Декарта – Снеллиуса и говорит, что угол преломления зависит от цвета.
Впрочем, он должен был и это знать из книги Декарта «Метеоры», в которой дано объяснение механизма возникновения радуги: первая радуга появляется в результате двукратного преломления и одного отражения света в капле, а вторая радуга есть результат двух преломлений и двух отражений. Декарт даже подтвердил свою теорию опытом по преломлению света в стеклянных шарах.
Однако не в характере Гука было ссылаться на чужие результаты.
Лишь через четверть века после «Микрографии» вышел из печати «Трактат о свете» Гюйгенса. Труд вылеживался в виде рукописи целых двенадцать лет. Однако открытия, сделанные Гюйгенсом, были столь важными, что быстро стали известными. В то время ученые охотно переписывались между собой.
Гюйгенс ввел в науку световые волны как упругие возмущения, распространяющиеся во множестве чрезвычайно малых и весьма жестких сферических частиц эфира, проникающих сквозь все тела. Он также выдвинул общий принцип, позволяющий путем геометрических построений определить направление распространения любого волнового процесса.
Гюйгенс был, пожалуй, первым выдающимся представителем нового типа ученых. Он в молодости он отдавал предпочтение математике и астрономии. Открыл спутник Сатурна и его кольца.
В 1678 году Гюйгенс прочитал членам Парижской академии наук свой «Трактат о свете». В нем объяснены причины того, что происходит со светом при отражении и преломлении, в частности, при странном преломлении исландским шпатом. Продолжая традиции Декарта, требовавшего критического отношения к любому знанию, Гюйгенс в начале своего трактата вскрывает важную ошибку Декарта. Гюйгенс прямым расчетом показывает, что вывод о бесконечной скорости света, полученный Декартом на основании наблюдения затмений Луны, неубедителен из-за недостаточной точности наблюдений. «Они позволяют лишь утверждать, – пишет Гюйгенс, – что скорость света в сто тысяч раз больше скорости звука». Далее Гюйгенс использует изумительные наблюдения движения спутников Юпитера, проделанные за два года до того Ремером с целью определения скорости света. Проделав нужные вычисления и получив огромную величину, Гюйгенс восклицает: «И все же это нечто совсем отличное от мгновенного распространения, так как разница здесь такая же, как между конечной вещью и бесконечной».
В своих представлениях о природе света Гюйгенс во многом близок к Гуку: свет – это упругие импульсы в эфире, считает он, но нигде не пользуется понятием длины волны и не предполагает, что волны света имеют определенный период.
Несмотря на свою геометричность, метод Гюйгенса, основанный на построении сферических волновых фронтов, позволил ему, следуя традиции Декарта, вывести законы отражения и преломления света, которые до того принимались просто как опытные факты и не имели объяснения.
Мощь и эффективность своего принципа распространения света Гюйгенс продемонстрировал, объяснив таинственное расщепление луча света на два отдельных луча в кристаллах исландского шпата.
Гюйгенс назвал один из этих лучей «обыкновенным», ибо он подчинялся закону преломления Декарта, а другой – «необыкновенным», так как он нарушает этот закон и преломляется «неправильно».
«Двойное лучепреломление» открыто Братолином в 1669 году и казалось современникам не только необъяснимым, но и противоречащим всему, что написано о свете, в том числе Декартом и Гуком.
Возможность объяснить двойное лучепреломление была чрезвычайно важна для Гюйгенса, ибо его принцип приводил к противоречию с Гуком в важнейшем пункте, а именно в объяснении закона преломления света. И тот и другой выводили закон преломления из различия скоростей света по обе стороны границы двух сред. Например, границы воздуха и стекла. При этом показатель преломления, по Гюйгенсу, выражается отношением скорости света в первой среде к его скорости во второй. У Гука же получалось обратное отношение. А экспериментальные возможности были таковы, что об измерении скорости света в лабораторных условиях не могло быть и речи.
Впрочем, можно понять, почему Гюйгенс не пошел до конца в разработке волновой теории света. Он исходил из аналогии многих оптических явлений с акустическими. А акустика имеет дело со звуковыми волнами. Но при распространении звука частицы воздуха колеблются вдоль направления, по которому бежит волна. Если свет действительно такая же продольная волна в эфире, то совершенно невозможно объяснить явление поляризации света, открытое самим Гюйгенсом при исследовании двойного лучепреломления. Ведь оба луча, на которые распадался луч света, падающий на кристалл исландского шпата, совершенно различны и преломляются по-разному. Ничего подобного в акустике нет и быть не может.
Звуковые волны не способны распространяться подобно свету. Солнечный свет, в этом может убедиться каждый, проходит через отверстие в ставне в виде узкого, четко ограниченного луча. А звук, проходя даже через узкий канал в каменной стене, заполняет всю комнату.
Нет, Гюйгенс, которого принято считать создателем волновой теории света, сделал только первый шаг. Он даже не попытался объяснить открытое Гримальди явление дифракции – огибание светом препятствий, хотя книга Гримальди «Физико-математический трактат о свете, цветах и радуге» появилась задолго до трактата Гюйгенса.
Волновые идеи уже тогда носились в воздухе, и Гримальди, обнаруживший огибание света вокруг препятствий, не мог обойтись без представления о волнах. Но в его понимании свет не был собственно волнами, он представлял себе свет жидкостью, двигающейся быстро через пространство и прозрачные тела. Воображение рисовало Гримальди, как волны появляются в световой жидкости при ударе ее о края препятствия, что заставляет световую жидкость затекать за препятствия совсем так, как вода в ручье обтекает камни. Гримальди на правах первооткрывателя назвал это явление дифракцией. Оно навсегда осталось в науке, выйдя далеко за пределы оптики и наполнившись совершенно новым содержанием.
Впрочем, не только название, придуманное Гримальди, дожило до наших дней. Гримальди первым составил карту Луны и дал дошедшие до нас имена многим деталям ее видимой поверхности.
Ньютон считал свет потоком частиц-корпускул. И, тем не менее он лучше всех современников понимал всю важность периодических свойств света. Ведь, наблюдая цветные кольца, которые каждый может увидеть, положив слабовыпуклую стеклянную линзу на плоскую пластинку и измеряя их размеры, Ньютон мог вычислить длины волн, соответствующие различным цветам. Однако Ньютон понимал, что, уподобив волны света волнам звука, нельзя не только объяснить двойного лучепреломления, но и невозможно описать прямолинейное распространение световых лучей. Все это заставило Ньютона прийти к выводу о телесности света и считать свет потоком корпускул.
Но глубокое изучение явления дифракции света и его поляризации при двойном лучепреломлении привело Ньютона к выводу о недостаточности простой корпускулярной теории. И он сделал великий шаг, попытавшись объединить волновые и корпускулярные свойства света в единое явление.
В синтетической теории свет по-прежнему выступал потоком частиц, вылетающих из источника света, но предполагалось, что движение частиц через эфир возбуждает в нем волны. Волны опережают порождающие их частицы и, набегая на препятствия, заставляют частицы искривлять свой путь, огибая препятствия. Частицы, летящие далеко от края препятствия, движутся прямолинейно, не испытывая никакого воздействия.
Такая теория могла объяснить все оптические явления, известные Ньютону. Но он вынужден был отказаться от нее, ибо существование эфира не согласовывалось с наличием солнечной системы. Ньютон не мог понять, почему эфир не препятствует движению планет!
Сегодня, с вершины XX века, нам легко сказать, что проникновение в сущность света – задача, непосильная одному человеку, сколь бы велик он ни был. Однако величие Ньютона проявилось не только в его достижениях, но и в его ошибках. Например, изучив процесс разложения белого света на составляющие его цвета и получив белый свет сведением воедино радужной полоски, Ньютон связал эти явления с одним из типов искажений изображения в линзах. Это искажение – возникновение радужных каемок на краях изображения – казалось ему неустранимым. И... Ньютон создает зеркальный телескоп, свободный от этого недостатка. Зеркальные телескопы и поныне являются наиболее мощными астрономическими приборами.
Исследования хроматической аберрации и история зеркального телескопа позволяют добавить несколько черточек к характеристике личности Ньютона. Бельгийский физик Лукас приобрел известность тем, что, повторив опыты Ньютона по преломлению света в призме, обнаружил численное расхождение своих результатов с ньютоновскими. Ньютон утверждал, что Лукас ошибся, не дав себе труда повторить опыт. Теперь мы знаем, что они пользовались призмами из различных сортов стекла. И нам трудно понять, почему это осталось незамеченным.
Зеркальный телескоп создан Ньютоном целиком на основе собственных исследований и расчетов. Однако не значит, что он был первым. В то время уже существовали достаточно крупные телескопы, совершенно не имевшие линз. А упоминание о зеркальных телескопах встречается еще в трудах Галилея.
Величие Ньютона проявилось и в том, что, сознавая трудность корпускулярной теории, не способной объяснить периодические свойства света, и не имея возможности принять существование эфира, он не занял здесь какой-либо определенной позиции, не пресек, не ограничил авторитетом своего имени дальнейшие исследования.
Но всегда находятся католики, желающие быть святее папы. После смерти Ньютона постепенно забылось, что в последнем издании его «Оптики» он приводит семь аргументов в пользу волновой теории и лишь один против нее. Последователи возвели в абсолют его корпускулярную теорию, и она заняла господствующее положение вплоть до начала XIX века, тормозя развитие науки.
Перелом произошел, когда Юнг возродил волновую теорию для объяснения интерференции, а Френель решил наконец с ее помощью и проблему дифракции.
Томас Юнг начал заниматься физикой и математикой в восьмилетнем возрасте, когда большинство детей лишь начинает знакомиться с азбукой и арифметикой. Через год он приступил к изучению иностранных языков, а также латинского, греческого, древнееврейского и арабского. В это время его главным увлечением стала ботаника. Казалось, мальчика ожидает судьба большинства вундеркиндов – популярность в детстве и быстрое забвение. Но Юнг избежал столь печальной участи. В двадцать лет он опубликовал «Наблюдения над процессом зрения». Здесь на основе своих опытов он поставил под сомнение корпускулярную теорию света, уже, безусловно, отождествлявшуюся с именем Ньютона, и высказался за волновую теорию.
Его дерзость вызвала бурю. Под давлением критики правоверных ньютонианцев Юнг признал необоснованность своих взглядов и на время прекратил занятия оптикой.
Хорошему артисту достаточно одного слова суфлера, чтобы свободно провести сложный монолог, конечно, если артист достаточно подготовлен к роли предыдущей самостоятельной работой.
Юнг был готов! Частный пример, относящийся к столь далекой от оптики теории приливов, был толчком, породившим лавину.
«Представьте себе ряд одинаковых волн, бегущих по поверхности озера... Представьте себе далее, что по какой-либо аналогичной причине возбуждена другая серия волн той же величины, проходящих... с той же скоростью одновременно с первой системой волн. Ни одна из этих двух систем не нарушит другой, но их действия сложатся, если... вершины одной системы волн совпадут с вершинами другой системы; если же вершины одной системы волн будут расположены в местах провалов другой системы, то они в точности заполнят эти провалы и поверхность воды останется ровной. Так вот, я полагаю, что подобные явления имеют место, когда смешиваются две порции света; и это наложение я называю общим законом интерференции света».
Чисто умозрительное заключение Юнг подтверждает простым и наглядным опытом. Замечательный опыт Юнга может повторить каждый. В куске картона нужно проколоть булавкой два небольших отверстия и осветить их солнечным светом, проходящим через отверстие в закрытом ставне. На противоположной стене или на специальном белом экране возникнет чередование светлых и темных полос: светлые полосы там, где световые волны, проходящие через оба отверстия, накладываются согласованно (в фазе), а темные – там, где они гасят друг друга (накладываются в противофазе).
Если закрыть одно из отверстий, то полосы исчезают. Остаются лишь дифракционные кольца, которые наблюдал еще Гримальди. Исчезают полосы и при открывании ставня, когда узкий пучок света, падающий на оба отверстия, заменяется широким. Так проводил свои опыты Гримальди и, конечно, не мог обнаружить полос.
Работу Юнга восприняли с недоверием, а его соотечественники – англичане насмехались над дилетантом, покусившимся на великое наследие Ньютона. Но теперь Юнг не сдавался.
Одновременно с Юнгом, ничего не зная о его работах, оптическими исследованиями занимался еще один дилетант, французский дорожный инженер Огюстен Френель. Он участвовал в борьбе против Наполеона, и во время чисток, проходивших в период «Ста дней» после возвращения Наполеона с Эльбы, Френель уехал в деревню. Здесь он начал систематические исследования в области оптики, Средства его были ограничены, столь же бедными были и его экспериментальные возможности. Но мощь интеллекта и привычка обходиться простыми математическими методами позволяли ему извлекать из примитивных опытов поразительные результаты. А инженерная хватка и требовательность к надежности каждого результата делали его опыты безупречными.
Френель начал с изучения теней от малых предметов. В наиболее чистом виде это можно сделать при помощи тонких проволок. И Френель обнаружил систему чередующихся полос, заменяющих резкую границу тени, которую следовало ожидать, исходя из корпускулярной теории. Стоило поднести к проволоке с одной ее стороны край непрозрачного экрана, как светлые полосы внутри тени исчезали. Оставались лишь темные полосы в освещенной части, которые наблюдал еще Гримальди.
Френель объяснил возникновение светлых полос внутри области тени наложением двух частей световой волны, огибающих проволоку с обеих сторон. Так он самостоятельно пришел к пониманию интерференции света.
Впоследствии, узнав о работах Юнга и его опытах с двумя отверстиями и желая полностью отделить явление интерференции от явления дифракции на краях отверстия, Френель придумал опыт с двумя зеркалами и сдвоенной призмой. Это позволило ему расщеплять и вновь сводить вместе световые волны, проходящие через узкую щель, и наблюдать прекрасные интерференционные картины, знакомые теперь любому школьнику.
Френель объединил принцип интерференции с методом элементарных волн и огибающей волны, введенным Гюйгенсом. Получилась законченная система. Притом элементарные волны и их огибающая уже не были чисто геометрическим понятием и способом построения, как у Гюйгенса, но стали самой сущностью световой волны. Френель не ограничился этим, он дал математическую формулировку волновой теории света.
Он показал, что отдельные участки волнового фронта, исходящего из светящейся точки, порождают вторичные волны таким образом, что они полностью гасят друг друга – все, за исключением небольшой центральной части, расположенной на прямой, соединяющей источник света с освещаемой точкой.
Так был разрешен вековой парадокс, стоявший на пути волновой теории света. Найдено объяснение прямолинейных световых лучей, возникающих и остающихся узкими, несмотря на волновую природу света. Вот оно: все волны, отклоняющиеся от прямой, полностью гасят друг друга. Все они гасятся, не препятствуя распространению узкого луча, состоящего из центральных участков волн, бегущих прямолинейно.
Френель сумел математически рассчитать все детали процесса, приводящего к огибанию световых волн вокруг краев предметов, указав, в частности, как этот процесс зависит от длины волны. Так была наконец построена теория дифракции.
Великие математики – Лаплас и Пуассон, а также некоторые физики считали инженера Френеля дилетантом и в математике. Первые статьи Френеля о дифракции подверглись их критике за отсутствие математической строгости.
Пуассон столь глубоко изучил мемуар Френеля (в то время термин «мемуар» имел значение современного термина «монография»), что сумел обнаружить удивительный вывод, следующий из расчетов Френеля. Из расчетов следовало, что в центре тени непрозрачного диска надлежащих размеров должно быть светлое пятно. Пятна должны исчезать и появляться вновь по мере отодвигания от диска экрана, на котором наблюдается это явление.
Более того, на оси, соединяющей точечный источник света с небольшим отверстием, тоже должны наблюдаться чередования света и тени. Согласовать такой парадокс с представлением о корпускулах, летящих вдоль луча света, было невозможно.
Араго помог Френелю выполнить решающий эксперимент. «Здравый смысл» был посрамлен, Френель получил премию, волновая теория света, казалось, восторжествовала навсегда. Однако в это время из пучин научного океана выглянула скала, грозившая потопить прекрасный корабль волновой теории Френеля.
Мало известный теперь физик Малюс обнаружил, что свет поляризуется не только при прохождении через исландский шпат, но и при простом отражении или преломлении на границе двух сред. Открытие Малюса легко объяснялось свойствами корпускул света, которым Ньютон приписывал асимметрию или полярность. По его выражению, каждый луч света имеет две стороны. Поэтому явления поляризации света считались в то время сильнейшим аргументом в пользу корпускулярной теории.
Блестящая интуиция Френеля заставила его пренебречь авторитетом Ньютона. Он пошел по пути Гюйгенса, от которого он заимствовал аналогию световых волн с акустическими. Он понимал, что волновая теория не способна объяснить опыты Малюса и все известное людям до и после него о поляризации света, если не считать волны света поперечными, подобными тем, что каждый видел на поверхности воды. Такое предположение выдвигали еще Гримальди и Гук, но в остальном их представления о световых волнах были наивными и туманными. Но во времена Френеля о поперечности световых волн уже не думал никто. Не помышлял о поперечности световых волн и Френель.
Известно, что Био и Араго тоже провели ряд замечательных исследований в области поляризации света. Работы Био чрезвычайно укрепили его уверенность в справедливости корпускулярной природы света. Араго открыл поляризацию рассеянного света неба и обнаружил хроматическую поляризацию, но, считая важным лишь обнаружение новых фактов, в надежде на то, что со временем они улягутся в рамки будущей теории, он предпочитал не задумываться над трудностями, казавшимися ему непреодолимыми. Араго вместе с Френелем систематически изучал интерференцию поляризованных лучей. В ходе работ они совместно установили, что два луча света, поляризованные в параллельных плоскостях, способны интерферировать между собой, в то время как лучи, поляризованные перпендикулярно, не гасят друг друга никогда!
Для того чтобы осознать весь драматизм возникшей ситуации, необходимо встать на точку зрения ученых первой четверти прошлого века. Ведь, отказываясь от корпускулярной теории света, они имели только один путь – считать свет волнами эфира. О свойствах эфира в то время предпочитали не говорить. Давно прошли времена, когда можно было обсуждать размер и форму частиц эфира и спорить о том, состоит ли он из частиц или является плотной жидкостью. Опыт, этот кумир нового времени, не давал для таких суждений никаких оснований. Ученые поклонялись фактам. Известно лишь, что эфир не препятствует движению тел. Ни вечному вращению планет, ни движению малых тел, ускорения и скорости которых можно изменять и измерять в ходе опытов.
Из аналогии с акустикой было понятно, что эфир, эта тончайшая невесомая среда способна к передаче того процесса, который мы воспринимаем как свет. Знаменитый Ампер, один из основоположников учения об электричестве, еще в 1815 году сказал Френелю, что явления поляризации можно понять, предположив, что световые колебания эфира поперечны, в отличие от звуковых волн в воздухе, частицы которого колеблются вдоль направления распространения звука. Френелю такая мысль показалась совершенно дикой. Ведь поперечные колебания возможны только в твердых телах!
Юнг, узнавший об опытах Араго и Френеля с поляризованным светом, тоже подумал о поперечных колебаниях эфира, но писал лишь о «воображаемом поперечном движении». Был ли он еще напуган приемом, оказанным его соотечественниками теории интерференции, или ему самому мысль о поперечных колебаниях эфира казалась слишком фантастической, нельзя установить ни из его статей, ни из писем. Несколько лет сторонники волновой теории чувствовали свое бессилие перед загадкой поляризации света и старались обходить тупик стороной. Сторонники корпускулярной теории торжествовали.
Нужно было иметь величайшее мужество, чтобы в таких условиях сделать шаг, совершенный Френелем. Он решился на это лишь в 1821 году, после многих лет безуспешных попыток.
Свет является поперечными колебаниями эфира, писал Френель. Ведь, признав поперечность света, он должен был принять и то, что эфир, невесомый и всепроникающий эфир, тверже стали! Тверже стали, но свободно проникает сквозь все тела или свободно пропускает их сквозь себя! Такое казалось невозможным в то время, время абсолютного господства механики.
Теперь, когда в уравнения введены изменения, отражающие поперечный характер световых волн, из них, как следствия, получались описания всех известных явлений, связанных с поляризацией света. Были, конечно, и трудности. Трудности, связанные с эфиром. Для их преодоления Френель ввел одну-единственную гипотезу. Это было огромным скачком по сравнению со всеми вариантами корпускулярной теории света, где приходилось вводить массу дополнительных гипотез, специфических чуть ли не для каждого нового явления, частично противоречащих одна другой и, несмотря ни на что, обеспечивавших во многих случаях лишь очень приближенные совпадения с опытом.
Единственная гипотеза Френеля состояла в том, что, хотя эфир никак не влияет на движения материальных тел, тела, в которые он проникает, изменяют механические свойства эфира. Чем плотнее тело, тем меньше скорость поперечных колебаний эфира внутри его. Основываясь на такой гипотезе, Френель построил математическую теорию, объяснившую, в частности, многовековую тайну преломления света. Световая волна, переходящая из свободного эфира в эфир, содержащийся в веществе, частично поворачивает обратно и лишь частично проникает внутрь. Если волна падает на границу вещества под углом, то ее отраженная часть уходит от поверхности под тем же углом И опыт с огромной точностью подтвердил предсказание для всех прозрачных веществ и любых углов падения света на границу вещества.
Из теории Френеля следовала и зависимость скорости света от свойств вещества. Как и в других вариантах волновой теории, и у него скорость света предполагалась максимальной в свободном эфире (в пустоте).
Лишь через четверть века Фуко смог осуществить очевидное доказательство справедливости этого предсказания. Измеренная им скорость света в воде составляла лишь 3/4 скорости света в воздухе. Но Френель не дожил до триумфа своей теории.
Ответ гласил: «Да, и отсутствие влияния движения Земли на преломление, и явление аберрации легко объясняются, если считать, что движущиеся тела увлекают за собой эфир, но не полностью, а частично». Эта единственная гипотеза позволила Френелю объяснить все известные в то время оптические явления, связанные с движением тел. Гипотеза подтверждалась и исследованиями открытого позднее эффекта Доплера, заключающегося в изменении цвета излучения или высоты звука в зависимости от движения источника или наблюдателя.
Физо подтвердил гипотезу Френеля, измерив скорость света, проходящего в текущей воде в направлении ее течения и против течения. В конце прошлого века к подобному результату пришел замечательный экспериментатор Майкельсон. Но гипотеза частичного увлечения казалась многим слишком искусственной. Уже Стокс пытался сформулировать компромиссную гипотезу – в телах эфир увлекается полностью, вдали от них он неподвижен. Однако это было слишком сложно.
Брюстер, совершивший ряд важных открытий в оптике кристаллов, известный каждому школьнику в связи с замечательным углом Брюстера, при котором отраженный луч полностью поляризован, завоевавший популярность среди современников изобретением калейдоскопа, игрушки, ставшей теперь анонимной, Брюстер отрицал теорию Френеля. Ибо она приписывала богу «грубую идею заполнить все пространство эфиром только для того, чтобы создать свет».
Лишь один из ученых старшего поколения отдал должное интуиции и настойчивости Френеля. Им оказался ирландский математик и астроном Гамильтон. Ему принадлежат замечательные работы в области теории комплексных чисел и механики. Интересовался он и общими принципами развития науки.
Гамильтон, пожалуй, первым четко выделил две фазы характерные для развития каждой области науки. Сперва человек обнаруживает неизвестные ранее факты и систематизирует их, пока ему не удается обнаружить в первоначальной груде несвязанных явлений некоторые закономерности, охватывающие группу фактов. Так постепенно наука поднимается до понимания внутреннего единства разнообразных явлений и процессов. После этого может быть построена теория, не только объясняющая с единой точки зрения все известное ранее, но и способная предсказать неизвестные явления и закономерности. Говоря более четким языком, ученый на первой стадии познания восходит от отдельных фактов к законам; на второй стадии он нисходит от законов к следствиям. Орудие первой стадии – индукция и анализ, орудие второй – дедукция и синтез. На первой стадии основную роль играют фантазия и смелость, на второй – логика и строгость.
Гасконец
В качестве исходного пункта Гамильтон выбирает принцип Ферма, пришедшего в конце своей жизни к утверждению о том, что свет распространяется по простейшему пути. Ферма, современник Декарта и юрист по профессии, был выдающимся математиком, во многом опередившим своих современников. Среди широкой публики он известен своей великой теоремой, решение которой до сих пор не получил никто. Суть ее очень проста. Ферма утверждал, что простейшее уравнение xn + yn = zn, где n – целое число, большее двух, не может быть удовлетворено никакими положительными целыми числами. В справедливости утверждения Ферма может убедиться каждый, стоит только попробовать. Но почему это так?
В свое время за доказательство теоремы предлагалась большая премия, но математики настояли на ее отмене. Они задыхались под обязанностью разбираться в нескончаемом потоке «доказательств», шедших от любителей легких денег, привлеченных кажущейся простотой задачи. Теперь ясно, что теорему Ферма нельзя доказать без создания новых глубоких методов в теории уравнений.
Случилось так, что Ферма прочитал книгу по оптике, написанную его другом де ла Шамбром. Автор выводил в ней законы преломления света, следуя давно забытым утверждениям Герона, жившего за сотню лет до нашей эры. Герон исходил из метафизического принципа, согласно которому природа всегда действует по кратчайшему пути. В четвертом постулате, относящемся к свойствам зеркал, Герон указывает, что из всех лучей, испытавших отражение и соединяющих две точки, минимальны те, которые отражаются под равными углами. Минимальны – значит короче других.
Беда в том, что в ряде случаев, при отражении от вогнутых зеркал свет шел по наиболее длинному пути. Как быть с принципом Герона, столь милым сердцу любителей общих принципов?
Ферма утверждал, что длина пути менее важна, чем простота. Прямая проще кривой. Если рассматривать не все вогнутое зеркало, а прямую, касательную к нему в точке падения света, все станет ясным. По отношению к прямой путь света самый короткий. Так можно примирить четвертый постулат Герона с общим принципом простоты. Ферма немедленно нашел из этого принципа и закон преломления. Но, как и в случае великой теоремы, никто не мог понять, каким образом он это сделал. Ферма обещал де ла Шамбру представить свой путь доказательства по первому требованию, но оттягивал выполнение обещания целых четыре года. Декарт обратил внимание на то, что Ферма был гасконцем. Лишь 1 января 1662 года Ферма доказал, что и гасконцы способны выполнять свои обещания. В новогоднем письме де ла Шамбру он уточняет, что природа стремится не просто к кратчайшему пути, а к пути, проходимому за кратчайшее время! Закон преломления получился с удивительной непосредственностью. Но, к сожалению, Декарта уже не было в живых, и он не мог оценить остроумие гасконца.
И вот Гамильтон поставил своей целью вывести все законы оптики из одного принципа.
Гамильтону удалось свести математическую формулировку этого принципа всего к двум математическим уравнениям. Из уравнений как простые следствия получались все законы оптики и механики. В них не было ни эфира, ни корпускул. Они давали все то, и только то, что поддавалось опытной проверке.
Может быть, уже здесь следует упомянуть о том, что именно метод Гамильтона лежит в основе современной квантовой механики. Наука наиболее рельефно выявляет связь между поколениями. Научные идеи не признают границ. Но глубоко ошибется желающий сопоставить развитие науки с неуклонным, безостановочным течением могучей реки. Прогресс науки сродни капризному течению горной речки, порой разбегающейся на множество рукавов, застаивающейся в заводях и мчащейся по бурным перекатам.
В начале прошлого века тринадцатилетний сын лондонского кузнеца после кратковременного пребывания в начальной школе поступил в обучение к переплетчику. Там он мог утолить свою жажду чтения.
Майкл Фарадей не просто читал, а набирался знаний. Начал посещать публичные лекции. Лекции замечательного химика Дэви покорили юношу, и он послал Дэви письмо с просьбой принять его на работу. Так Фарадей проложил себе дорогу в науку.
Естественно, что, начав работать с Дэви, Майкл стал химиком. Но его тянуло к физике. Отсутствие систематических знаний математики наложило характерный отпечаток на все исследования Фарадея. Он был смелым и гениальным экспериментатором. Некоторые ограничивают его роль именно великими экспериментальными открытиями. Но он был, пожалуй, еще более великим провидцем.
Фарадей пришел к глубокому убеждению о единстве природы и стремился отыскивать все новые и новые доказательства единства.
«...теперь мы знаем, – писал Фарадей, – что он (магнетизм) действует на все тела и находится в самой тесной связи с электричеством, теплотой, химическим действием, со светом, кристаллизацией, а через последнюю и с силами сцепления».
Фарадей проделал огромное количество опытов, Но величайшим открытием Фарадея, величайшим после Ньютона, является его теоретический вывод о существовании полей. Он отождествлял поля с материей, считая, что она проникает через все тела и заполняет все пространство.
Пространство Ньютона – пассивное вместилище тел и зарядов. Пространство Фарадея – средоточие явлений, источник и передатчик сил, действующих на тела и заряды.
Внимание! Сейчас последует величайший для всей истории изучения и покорения света вывод. Пространство наполненное силовыми линиями, делает ненужным понятие эфира. Ненужным! Можно представить себе, что свет есть не что иное, как дрожание силовых линий. «Если допустить такую возможность, – пишет Фарадей, – то можно было бы обойтись без эфира...»
Максвелл поставил перед собой цель – придать идеям Фарадея математическую форму. Максвелл рано пристрастился к математике. Свою первую научную работу он выполнил за год до поступления в университет. В то время ему было лишь пятнадцать лет. Во всем блеске математическое дарование Максвелла проявилось при решении задачи, казавшейся совершенно недоступной обитателям Земли. Речь идет о загадке колец Сатурна, открытых, как мы знаем, еще Гюйгенсом. За века, прошедшие с тех пор, высказывалось множество гипотез о природе этих колец. Но никто не мог предложить способа проверки их истинности. И то, что было и до сих пор остается недоступным для опыта, оказалось решенным на листе бумаги. Максвелл расчетным путем показал, что кольца» не сплошные образования – твердые или жидкие. Они должны состоять из множества отдельных тел, вращающихся по близким орбитам.
После долгой и кропотливой работы в период 1860 – 1875 годов Максвелл создал теорию, в которой электрические и магнитные силы природы объединены в понятие единого электромагнитного поля, включающего видимый свет, невидимые ультрафиолетовые и инфракрасные лучи.
Он свел все известное людям об электричестве и магнетизме к четырем удивительно простым уравнениям. Именно эти уравнения сообщили, что свет – просто электромагнитные волны, способные распространяться в пустом пространстве так же легко, как в прозрачных телах. Причем из уравнений следовало, что эти электромагнитные волны могут существовать сами по себе. Они представляют собой реальность, ранее неведомую людям и внезапно появившуюся перед учеными, как могучий хребет из-за рассеявшегося тумана.
Теория Максвелла явилась в науке первым этапом немеханической физики, первым этажом в грандиозной пирамиде все усложняющихся абстракций. Мы увидим, что трудности, связанные с освоением новых абстракций, возникнут вновь, когда наступит эра теории относительности и квантовой механики.
Уравнения Максвелла содержали в себе не только описание известных явлений, но и предсказание новых, открытых только впоследствии, в том числе предсказание существования электрической индукции и радиоволн. Они не содержали лишь одного – в них не было ничего относящегося к световому эфиру и его поразительным свойствам. Эфир просто остался за бортом теории Максвелла, но это никак не мешало ей уверенно помогать развитию науки. Для некоторых ученых эфир стал просто синонимом пустого пространства.
Но, несмотря на то, что через двенадцать лет Герц обнаружил на опыте предсказанные теорией Максвелла электромагнитные волны, возбуждаемые в его приборах, традиции механистической физики не были сломлены.
Рассказывают, что один молодой человек, мечтавший заниматься теоретической физикой, поведал о своей мечте Томсону. И тот отговаривал молодого физика, потому что теоретическая физика, по существу, закончена и в ней нечего делать.
Но Томсон ошибался, как ошибались многие и до и после него, считая, что достигли предела знаний, не понимая неисчерпаемости природы, безграничности процесса познания.
Выдающийся немецкий физик Кирхгоф, уже прославившийся тем, что установил законы распространения электричества по проводам, ничем не отличавшиеся от законов, управляющих течением жидкости по трубам, настойчиво изучал оставшиеся еще не вполне ясными свойства упругих тел. Судьбе было угодно столкнуть его с замечательным химиком Бунзеном, успевшим прославиться изобретением угольно-цинкового гальванического элемента и тем, что с его помощью Бунзен получил металлический магний, литий, кальций и стронций.
Потеряв глаз при взрыве во время одного из опытов, тяжело отравившись мышьяком, Бунзен оставался оптимистом и видел многое, скрытое от других. Он проложил дорогу химии металлорганических соединений и химии радикалов и стремился создать метод химического анализа, пригодный для контроля металлургических процессов. Здесь основным требованием была быстрота – качество, почти недоступное химии.
Итак, они встретились, и совместная работа закипела. Они начали изучать спектры пламени, окрашенного солями различных металлов, пользуясь спектроскопом и газовой горелкой, специально изобретенной Бунзеном. Эта горелка, существующая поныне, дает почти бесцветное пламя. Ее потомки трудятся и в газовых плитах, ив огромных топках.
После Ньютона не только в лабораториях, но и в светских гостиных увлекались разложением белого света в радужные полоски. Но лишь в самом начале XIX века Волластон соединил призму с узкой щелью в камере-обскуре. Так возник спектроскоп. Спектр получился в нем необычайно ярким, как хвост жар-птицы, цвета были насыщенными, свободными от белесой дымки, мешавшей всем предшественникам Волластона. На фоне радужной полоски Волластон увидел семь темных линий. Он принял их за границы, разделяющие цвета спектра, и не придал им никакого значения. Мелкий факт, вполне понятный. Что могло быть более обычным, чем границы, в ту пору – пору мелких княжеств и враждующих государств.
Не удивительно, что об этом открытии вскоре забыли. Один из многих печальных случаев в истории науки.
Задумав увеличить яркость изображения при наблюдении спектров, Фраунгофер соединил воедино зрительную трубу со щелевым спектроскопом Волластона и направил в свой прибор солнечные лучи. Прекрасный яркий спектр пересекали четкие темные линии... Их были сотни...
Никто не может сказать, сколько человек, начиная с Ньютона, рассматривали всевозможные спектры. Несомненно, многие замечали, что окраска пламени связана с появлением в его спектре узких и ярких линий. Возможно, кто-нибудь заметил и то, что желтые линии, порождаемые поваренной солью, возникали и при внесении в пламя других солей натрия. Зеленые линии появлялись не только в присутствии металлической меди, но и при нагревании мельчайших крупинок медного купороса и других солей меди.
Кирхгоф и Бунзен после длительных опытов и раздумий пришли к твердому выводу – Тальбот прав, говоря: «Когда в спектре пламени появляются определенные линии, они характеризуют металл, содержащийся в пламени». Более того, каждый химический элемент характеризуется вполне определенным набором спектральных» линий. Эти линии являются своеобразным паспортом химического элемента. Наблюдая их в спектроскоп, можно судить о наличии в веществе данного элемента.
Так родился спектральный анализ.
Вскоре после начала совместных работ Бунзен и Кирхгоф открыли два новых элемента, которым они дали наименования цезий (от латинского «голубой») и рубидий (красный) в соответствии с цветом характерных для этих элементов спектральных линий. Открытие убедительно продемонстрировало мощь нового метода. В развитие и применение спектрального анализа включилось множество ученых.
В спектре Солнца обнаружились линии, не совпадающие с какими-либо из известных на Земле. Так люди познакомились с гелием, лишь впоследствии найденным в земных условиях. Это был триумф. Но, пожалуй, много большее научное и философское значение имел постепенно крепнувший вывод о единстве мира, проявляющемся в том, что вся вселенная состоит из одних и тех же элементов.
В 1888 году Гельмгольц писал, что открытие спектрального анализа вызвало восхищение всех людей и возбудило их фантазию в большей мере, чем какое-либо другое открытие, потому что оно позволило заглянуть в миры, представлявшиеся нам совершенно недоступными.
Постепенно оказалось, что спектральные линии элементов расположены отнюдь не хаотически, а подчиняются вполне определенным закономерностям. Стало ясно, что закономерности связаны с какими-то особенностями самих элементов. Многие спектральные линии удалось сгруппировать в серии, подчиняющиеся очень простым математическим закономерностям. Удалось обнаружить простые числовые коэффициенты, входящие в формулы для нескольких различных серий, в том числе и таких, которые относятся к различным элементам. Но что означает этот порядок? Вследствие чего он существует? Природа как бы бросала вызов ученым. Как мог пренебречь им Томсон?
. Объяснение природы фраунгоферовых линий привело Кирхгофа к формулировке общего закона, суть которого проста, как просты и другие великие законы природы: способность вещества излучать пропорциональна его способности поглощать и зависит от температуры. Термодинамика, достигшая к тому времени больших успехов, позволяла утверждать, что все тела, находящиеся внутри замкнутой оболочки, должны прийти к тепловому равновесию – достичь одинаковой температуры. При этом не важны ни размеры, ни форма тел или самой оболочки, ни вещество, из которого они состоят. Не требуется и соприкосновения между ними. Равновесие будет обеспечено испускаемым и поглощаемым ими излучением.
Что, если в оболочке, в которой уже установилось тепловое равновесие, проделать небольшое отверстие? Это один из тех простых вопросов, на которые не существует простых ответов. Но если оболочка находится внутри другой замкнутой оболочки, положение упрощается. Между ними начинается обмен энергией, и постепенно их температура выравнивается. В ходе этого обмена через отверстие меньшей оболочки будет проходить излучение, переносящее избыток энергии от более нагретой части к менее нагретой. Если внешняя оболочка горячее, то поток энергии направлен из нее во внутреннюю полость меньшей оболочки, которая поглощает все излучение, как абсолютно черное тело.
Так Кирхгоф пришел к понятию «абсолютно черного тела» и построил его модель в виде камеры с очень малым отверстием. Энергия, выходящая из такого отверстия наружу, определяется только температурой «абсолютно черного тела» и не зависит от вещества, из которого она сделана. Если раскалить модель до высокой температуры, отверстие будет сиять ослепительным белым светом. Это не игра слов, а прямое следствие закона Кирхгофа. Раскаленное «черное тело» должно приходить в равновесие с окружающими его более холодными телами, для этого оно должно путем излучения передавать внешним телам свою избыточную энергию. Если оно очень нагрето, то излучение должно быть весьма ярким.
Удивительные свойства «абсолютно черного тела» привлекли к нему внимание множества исследователей. Обобщив результаты других ученых и свои собственные, венский физик Стефан показал, что энергия, излученная «черным телом», пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры.
Закон Стефана – Больцмана, как его теперь называют, оказался верным во всем доступном нам диапазоне температур. Он считался одним из величайших достижений физики, хотя... было не очень понятно, какую роль здесь играет переносчик излучения – эфир.
Прошло еще десять лет, и глубокий аналитик Вин довел до конца попытки русского физика В.А. Михельсона определить распределение энергии в спектре «абсолютно черного тела». Исходя лишь из мысленных экспериментов и развивая идеи Больцмана, Вин доказал, что второй закон термодинамики требует, чтобы спектральная интенсивность излучения «черного тела» выражалась некоторой неизвестной ему функцией от произведения длины волны света на температуру «черного тела», причем множителем перед этой функцией должна быть пятая степень его температуры.
То, чего требует второй закон термодинамики, было свято для физиков прошлого века и пребудет истинным во все века. Людям остается лишь пытаться понять, почему так происходит. Из закона, полученного Вином с помощью простых математических операций, получается еще один закон. Вин назвал его законом смещения максимум кривой, изображающей спектр излучения «черного тела», смещается в зависимости от температуру тела. Смещается так, что остается постоянным произведение абсолютной температуры «черного тела» на длину волны, соответствующей максимуму излучения. И этот закон, полученный лишь на основе законов термодинамики, соблюдается во всех известных нам случаях. Он позволяет определять температуру тел без всяких термометров, лишь с помощью спектроскопа. Так удалось решить, казалось, неразрешимую задачу определения температуры Солнца и звезд.
Вин попытался сделать еще один шаг – определить математический вид функции, входящей в закон излучения «абсолютно черного тела». Полученная им формула требовала, чтобы интенсивность излучения на каждой длине волны стремилась к пределу при повышении температуры. Опыт опроверг такой вывод. Формула Вина совпадала с экспериментом лишь при малых длинах волн и низких температурах. При высоких температурах и больших длинах волн она резко противоречила опыту.
За дело взялся знаменитый Рэлей, который до 1873 года носил фамилию своего отца – Стретт, а затем за научные заслуги получил дворянство и титул лорда Рэлея. Рэлей правильно подметил, что трудности определения вида неизвестной функции Вина связаны с тем, что остался за бортом эфир. Рэлей применил к системе, состоящей из вещества и эфира, безупречный классический закон, установленный Максвеллом и Больцманом. Согласно этому закону энергия в любой физической системе распределяется равномерно между всеми степенями свободы системы. Эфир считался непрерывной средой. Значит, он имеет бесконечное число степеней свободы, и это необходимо учесть. Рэлей получил очень простую формулу – спектральная плотность излучения «черного тела» должна быть пропорциональна его температуре и обратно пропорциональна квадрату длины волны, на которой проводится измерение.
За всю свою жизнь прославленный физик не испытывал такого разочарования. Полученная им формула не совпадала с результатом опыта. Вместо известной всем колоколообразной кривой, вершина которой определяется законом смещения Вина, его формула, совпадая о опытом на длинноволновом склоне кривой, требовала бесконечного роста энергии по мере укорачивания длины волны. Ведь квадрат длины волны стоял в ней в знаменателе! Этот вывод вошел в историю науки как «ультрафиолетовая катастрофа».
Но это был не единственный абсурдный вывод, следовавший из формулы Рэлея. Ведь любая конкретная порция материи содержит конечное число степеней свободы, а число степеней свободы эфира бесконечно в любом объеме. Значит, в соответствии с формулой Рэлея вся энергия должна перейти в эфир, а вещество должно остыть до абсолютного нуля. Хуже всего то, что вина лежала не на формуле Рэлея. Формула лишь вскрыла то, что оставалось скрытым в самих основах классической физики. Вдобавок ко всему Лоренц показал, что даже простая пропорциональность интенсивности излучения при абсолютной температуре должна приводить к абсурду.
Так великие творцы величественного здания классической физики обнаружили под его фундаментом зыбучие пески.
Здесь же было не так. Порок лежал в самих основах. Но в чем он состоял и как его устранить, оставалось неясным.
Вильгельм Вин, автор закона смещения, получившего его имя, и Макс Планк, берлинский профессор, уже завоевавший известность трудами по термодинамике, нашли способ избавить физику от призрака «ультрафиолетовой катастрофы». Вернее, раскинув математический пасьянс, они обнаружили надежду на выход. Они выдвинули предположение о том, что интенсивность излучения «черного тела» не растет, как в формуле Рэлея, а уменьшается с длиной волны. Они даже нащупали для этого уменьшения определенную закономерность. Но ни самопредположение, ни экспоненциальный вид закономерности не следовали ни из чего, кроме как из необходимости согласовать свойства излучения с фактом существования мира, не охлажденного до абсолютного нуля, несмотря на роковой закон Вина.
В 1899 году эксперимент подтвердил новый закон Вина – Планка, Но более точные измерения привели к большим отклонениям от закона Вина – Планка. Все начиналось вновь. И Планк снова принялся за работу.
Расчеты Планка подтвердили ужасный вывод: мир ожидает ультрафиолетовая смерть. Но в окружающей жизни физики не находили ни малейшего симптома столь печального исхода. Они должны были избавить и теорию от нелепого заблуждения. Этой проблемой мучился не один Планк. Многие ученые не хотели мириться с бессилием созданных ими формул.
19 октября 1900 года Планк доложил о том, что он нашел формулу, связывающую, казалось, несовместимые высказывания Вина и Рэлея. Новая формула давала формальный выход из драматической ситуации, но, как и предыдущая формула Вина – Планка, она не имела фундамента ни в термодинамике, ни в электродинамике.
Но недаром имя Планка до сих пор произносится с благоговением. Планк окончательно избавил физику от призрака «ультрафиолетовой катастрофы».
Рассматривая процесс обмена энергией между раскаленным телом и окружающим пространством, Планк предположил, что обмен совершается не непрерывно, а в виде небольших порций. Описав этот процесс математически, он пришел к формуле, в точности совпадавшей с распределением энергии в спектре Солнца и других нагретых тел. Так в науку вошло представление о минимальной порции энергии – кванте.
С самого рождения квант оказался капризным младенцем. Введенный Планком в расчет в качестве кванта энергии, он появился в окончательной формуле в виде кванта действия – величины, являющейся произведением энергии на время. Причина этой трансформации оставалась неясной. Постепенно Планк, а вслед за ним и другие ученые примирились с дискретностью энергии, но дискретность механического действия долго оставалась непостижимой.
Загадку решил Эйнштейн. Он пришел к выводу, что квантовая теория Планка, созданная только для объяснения механизма обмена тепловой энергией между электромагнитным полем и веществом, должна быть существенно расширена. Он установил, что энергия электромагнитного поля, в том числе и световых волн, всегда существует в виде определенных порций – квантов.
Так Эйнштейн извлек квант из его колыбели и продемонстрировал людям его поразительные возможности. Это подвело фундамент и под зыбкую в то время формулу Планка. Когда Эйнштейн смело допустил, что электромагнитная энергия всегда существует в виде квантов.
,Квантовая теория света, успешно справившаяся с загадкой фотоэффекта, отнюдь не была всесильной. Наоборот, она была совершенно беспомощной в попытках описать ряд общеизвестных явлений. Например, таких, как возникновение ярких цветов в тонких слоях нефти, разлитой на воде, или существование предельного увеличения микроскопа и телескопа. Волновая же теория света, бессильная в случае фотоэффекта, легко справлялась с такими вопросами. Это вызвало непонимание и длительное недоверие к квантовой теории света. Ее не принял и отец квантов Планк.
Недоверие Планка к теории фотонов было столь велико, что побудило его даже к отказу от своей собственной теории квантов.
Эйнштейн не придавал трагического значения такому противоречию. Наоборот, он считал его естественным, отражающим сложный, многогранный характер природы света. Он считал, что в этом проявляется реальная двойственная сущность света. А постоянная Планка играет существенную роль в объединении волновой и квантовой картины. Она воплощает в себе союз волн и частиц.
Связь между частотой света и энергией фотонов, существование которых было предсказано, а по существу, открыто Эйнштейном, не укладывалась в представления, неотделимые от всего древа классической науки.
Вот одна из попыток, о которой через полвека в шуточной форме вспомнил ее автор, замечательный физик Макс Борн.
Вообразите несколько яблонь, у которых длина плодоножек, на которых висят яблоки, обратно пропорциональна квадрату высоты над землей. Если трясти яблоню с определенной частотой, то яблоки, висящие на определенной высоте, раскачаются в резонанс и упадут вниз. Они долетят до земли с кинетической энергией, пропорциональной высоте, с которой они упали. Значит, эта энергия пропорциональна частоте. Ведь резонансная частота, приводящая к падению яблока, пропорциональна высоте, ибо она зависит от длины подвеса-плодоножки, играющей роль длины подвеса маятника, грузом которого служит яблоко.
Вы скажете, что такое рассуждение наивно. Да, оно кажется наивным через пятьдесят лет, но в то время отец квантов Планк воспроизвел его в своей лекции.
При создании теории фотоэффекта и гипотезы световых квантов проявилась особенность гения Эйнштейна – вместо введения частных гипотез, отвечающих на конкретные вопросы, давать революционные решения, одновременно проясняющие множество сложных и разнообразных проблем. Эта черта во всем блеске проявилась в основном деле жизни Эйнштейна – в создании теории относительности, приведшей к революции в современной науке.
Вот эти факты.
1870 год. Стони обратил внимание на то, что частоты трех главных линий спектра водорода относятся как целые числа – 20:27:32.
1871 год. Стони вместе с Рейнольдсом установили, что частоты линий спектра хлористого хромила находятся в простых отношениях с совершенно неожиданными величинами – частотами гармонических колебаний скрипичной струны.
1885 год. Бальмер показал, что числа, полученные Стони, – частный случай более общего закона, в выражение которого входит одна большая постоянная величина, число 2, и переменная величина, принимающая целочисленные значения 3, 4, 5 и т.д.
Первое десятилетие XX века не изменило положения. Оно, пожалуй, только еще больше запуталось, когда в 1904 году Лайман нашел новую серию спектральных линий водорода в ультрафиолетовой части спектра, невидимой глазу, а в 1909 году Пашен обнаружил столь же невидимую серию в инфракрасной части спектра водорода.
Самым удивительным было то, что эти новые серии описываются формулами, очень похожими на формулу Бальмера, а большая постоянная величина, входящая в них, оказалась в точности одинаковой. Расхождение не наблюдалось и в миллионной доле ее! Такое не могло быть случайным. Теперь эта величина называется постоянной Ридберга.
В 1908 году Ритц, пытаясь выяснить характер спектральных закономерностей, уловил странные связи между числами, характеризующими частоты спектральных линий. Оказалось, что простым сложением или вычитанием частот каких-либо двух линий можно получить частоту третьей линии. Так были найдены новые, ранее неизвестные, слабые спектральные линии. Правда, не все предсказания подтверждались. Но хотелось думать, что отсутствующие линии просто очень слабы и в будущем их удастся обнаружить.
Многим в то время уже было ясно, что в спектральных сериях зашифрованы сокровенные тайны атомов.
Загадка атома пришла к нам из глубокой древности, и XIX век лишь усложнил ее, не дав никакой надежды на ее решение.
Демокрит приписывал атомам только два свойства – величину и форму, Эпикур добавлял третье – тяжесть. Но века не могли подтвердить или опровергнуть догадки древних. Периодически ученые то увлекались идеей делимости вещества, то пренебрегали ею.
В самом начале XIX века Риттер предположил, что не только вещество, но и электричество состоит из атомов. В середине века Вебер писал о том, что движение атома электричества вокруг материального ядра может объяснить оптические и тепловые эффекты. В 1881 году Стони рассчитал величину атома электричества. Забавно, что эта величина в течение десяти лет существовала безымянной, пока ее отец Стони не дал ей имя «электрон».
Анри Беккерель, внук известного физика Антуана Беккереля, продолжал исследования свечения солей урана, таинственного явления, ставшего главным увлечением его отца Эдмона Беккереля. Оказывается, и в физике существуют династии: сын Анри Беккереля, Жан, тоже был известным физиком.
Но возвратимся к Анри Беккерелю, изучавшему люминесценцию ураниловых солей, которые ярко светились в темноте, если их до того выставляли под лучи солнца. Он открыл, что невидимое излучение солей урана не связано с предварительным освещением.
Узнав, что недавно открытые икс-лучи вызывают утечку электрического заряда с заряженного тела, Беккерель решил проверить, не способно ли к этому же открытое им излучение. Опыт подтвердил его догадку. Теперь он мог пользоваться двумя методами – фотографическим и электрическим. Прошло лишь два года, и супруги Кюри обнаружили, что торий обладает теми же свойствами, что и уран. Они ввели термин «радиоактивность» для обозначения особого свойства тех веществ, которые способны испускать «лучи Беккереля». Заметив, что некоторые минералы радиоактивнее тория и урана, они начали искать причину этого и обнаружили полоний, названный так в честь родины Марии Кюри, а затем радий, наиболее радиоактивный из всех известных до того. На рубеже нашего века Беккерель обнаружил, что его лучи отклоняются магнитом, а Резерфорд, о котором мир узнал лишь впоследствии, установил, что эти лучи состоят из двух частей. Он назвал одну из них альфа-излучением, она сильно поглощалась веществом, а другую бета-излучением, она поглощалась значительно слабее.
Вскоре Вийяр обнаружил еще более проникающую компоненту, совсем не отклоняемую магнитом. Он назвал ее гамма-излучением.
Постепенно было установлено, что альфа-лучи заряжены положительно, бета-лучи отрицательно, а гамма-лучи совсем не несут заряда, чем напоминают лучи Рентгена. Удалось установить поразительный факт: частицы бета-лучей имели различные скорости, а отношение их заряда к массе менялось со скоростью частиц. Это заставило вспомнить о старой мысли Абрагама, считавшего возможным, что масса электрона, по крайней мере частично, зависит от электромагнитного поля. Не являются ли бета-лучи электронами и не прав ли Абрагам?
Радиоактивные процессы возникают в самых глубинах атомов. При этом одновременно выделяется тепло. Пьер Кюри вместе с Лабордом изучили процесс и двумя способами определили, что каждый грамм радия ежечасно выделяет 100 калорий энергии. Откуда она берется?
Еще раньше Мария Кюри предположила, что тепло выделяется радиоактивным веществом во время испускания лучей Беккереля, и при этом радиоактивные вещества очень медленно изменяются. Но такая гипотеза противоречила всем основам науки – закону сохранения энергии (откуда берется эта энергия?), закону сохранения вещества (как может изменяться радиоактивное вещество?) и интуитивному многовековому представлению о неизменности атомов.
Испугавшись собственной смелости, Мария выдвинула вторую гипотезу: радиоактивные вещества улавливают неизвестное внешнее излучение, недоступное нашим приборам, и преобразуют его в тепло и энергию радиоактивного излучения.
Исследования радиоактивности привели к открытию радиоактивных превращений атомов. Эйнштейн выявил глубокую связь между энергией и веществом и объединил два старых закона в единый закон сохранения энергии и вещества, в закон сохранения материи. Один из замечательных примеров того, как глубоко законы физики связаны с общими положениями диалектического материализма.
Все явственнее назревала необходимость осознать сложные законы радиоактивных превращений, представлявшихся ученым массой несвязанных эмпирических гипотез. Особенно настоятельным это стало после 1908 года, когда Резерфорд установил, что альфа-частицы, вылетающие из радиоактивных веществ, представляют собой ионизированные атомы гелия. Гелий получается из радиоактивных элементов! Столь крамольная возможность стала реальностью.
Нужно было решиться приступить к решению загадки атома. До того существовало лишь весьма общее предположение Праута о том, что атомы всех веществ каким-то образом образуются из водорода. Гипотеза, основанная на кратности атомных весов, верность которой стала сомнительной после уточнения измерений атомных весов ряда элементов, обнаруживших существенное отклонение от кратности.
Первую модель атома предложил Джозеф Джон Томсон, знаменитый Джи-Джи, которого иногда путают сне менее знаменитым Вильямом Томсоном, впоследствии получившим титул лорда Кельвина.
Короткое время Джи-Джи считал, что хорошей моделью атома могут служить магнитики Майера. Майер подвешивал над сосудом с водой большой магнит, а на воду пускал маленькие пробочки с воткнутыми в них намагниченными иглами. Маленькие магнитики устанавливаются в устойчивые конфигурации: один в центре, под большим магнитом, вокруг него шесть магнитиков, образующих правильный шестиугольник, затем десятиугольник больших размеров и вокруг него двенадцати угольник. Майер заметил, что, покачав большой магнит, можно заставить маленькие магнитики переместиться. И тогда внешние конфигурации превращаются в девяти- и тринадцатиугольники. Майер считал, что это напоминает поведение некоторых реальных тел, способных изменять свои свойства при затвердевании.
Впрочем, вскоре Томсон понял, что эта модель слишком сложна и не может описать многие известные свойства атомов.
В игру включился Вильям Томсон. Он заметил, что опыты с лучами Крукса и бэта-частицами свидетельствуют о том, что электроны пролетают не только между атомами, но и сквозь них. Он предполагал, что электрон, находящийся вне атома, притягивается к нему с силой, пропорциональной квадрату расстояний между их центрами. Если же электрон пролетает внутри атома, то притяжение пропорционально первой степени этого расстояния. Так могло быть, только если весь объем атома заполнен чем-то, имеющим положительный заряд, а размеры электронов много меньше размеров атомов.
Кельвин считал, что нейтральность атома обеспечивается тем, что в нем существует ровно столько электронов, сколько нужно для компенсации положительного заряда. Они располагаются по сферическим поверхностям и, возможно, вращаются вокруг центра.
Такая модель, известная под названием «атома Томсона», просуществовала более десятилетия, хотя было ясно, что она не объясняет многих фактов и не отвечает требованиям устойчивости. Так еще раз проявила свою иронию Ее Величество Наука, милостивая к корифеям, покорно несущим ее шлейф, и пренебрегающая провидцами, обгоняющими ее неспешную величественную процессию.
В декабре того же 1903 года, когда оба Томсона, более молодой Джи-Джи и маститый лорд Кельвин, закончили в общих чертах построение своей модели атома, японский физик Нагаока сообщил Токийскому физико-математическому обществу о своей модели атома, построенной наподобие системы Сатурна и его колец.
Нагаока исходил из ясно осознанной необходимости объяснить закономерности спектральных серий и явления радиоактивности.. Он писал: «Атом состоит из большого числа частиц одинаковой массы, расположенных по кругу через равные угловые интервалы и взаимно отталкивающихся с силой, обратно пропорциональной расстоянию между ними. В центре круга помещается тяжелая частица, которая притягивает другие частицы, образующие кольцо, по тому же закону... Рассмотренная система будет реализована, если по кольцу разместятся электроны, а положительный заряд в центре».
Модель Нагаоки могла объяснить сильные отклонения альфа-частиц, наблюдавшиеся Гайгером и Мерсоном при прохождении альфа-частиц через тонкие металлические фольги. Модель атома Томсона была здесь бессильна. Несмотря на все это, планетарная модель атома прочно ассоциируется с именем Резерфорда, который возродил ее в 1913 году, когда пришло время, и при его участии были получены опытные факты, превратившие планетарную модель из гипотезы в очевидную необходимость.
Один из решающих доводов в пользу планетарной модели получил ассистент Резерфорда Мозли из наблюдения спектров рентгеновских лучей: «Атому присуща характерная величина, регулярно увеличивающаяся при переходе от атома к атому (в периодической системе). Эта величина не может быть ничем иным, как зарядом внутреннего ядра».
В модели Резерфорда все встало на свои места – в положительно заряженном ядре происходят все радиоактивные превращения, вокруг ядра вращаются электроны, ответственные за возникновение спектров и за химические взаимодействия.
Основной слабостью планетарной модели Нагаоки, не устраненной и Резерфордом, была невозможность количественно связать эту модель с явлением излучения и поглощения света и рентгеновских волн. Модель не позволяла рассчитать длины излучаемых и поглощаемых волн, более того, ее нельзя было примирить с фактом существования атомов. Ведь в соответствии с теорией Максвелла вращающийся по орбите электрон должен непрерывно излучать электромагнитные волны, передавая им часть своей кинетической энергии. При этом орбита электрона должна все более сжиматься и он должен быстро упасть на ядро.
Если и была надежда когда-нибудь в будущем объяснить этим радиоактивные превращения, то совместить такую модель с существованием стабильных атомов было совершенно невозможным.
Модель Резерфорда ждала неизбежная гибель. Но она не успела подвергнуться поруганию и забвению потому, что в лаборатории Резерфорда уже около года работал молодой датский физик Нильс Бор.
Спасителями могли быть только еретический квант действия, вошедший в науку, несмотря на все опасения его создателя Планка, и не менее крамольный фотон, отец которого – Эйнштейн – потом долгие годы был основным оппонентом Бора по самым сложным и глубоким проблемам современной физики.
«Существование элементарного кванта действия выражает новое свойство индивидуальности физических процессов, совершенно чуждое классическим законам механики и электромагнетизма; оно ограничивает их справедливость теми явлениями, в которых величины размерности действий велики по сравнению со значением единичного кванта, даваемым новой атомистической постоянной Планка. Такое условие ни в какой мере не выполняется для электронов в атомах, хотя ему с избытком удовлетворяют явления в обычных физических опытах. И действительно, только существование кванта действия препятствует слиянию электронов с ядром в нейтральную тяжелую частицу практически бесконечно малого размера.
Признание такого положения тотчас же навело на мысль описывать удержание каждого электрона полем вокруг ядра как непрерывный ряд индивидуальных процессов, которые переводят атом из одного, из так называемых его стационарных состояний, в другое такое же состояние с испусканием освобожденной энергии в виде единичного кванта электромагнитного излучения. Эта идея внутренне сродни эйнштейновскому успешному толкованию фотоэлектрического эффекта, столь убедительно подтвержденному прекрасными работами Франка и Герца над возбуждением спектральных линий ударами электронов об атомы. Она дала не только прямое объяснение загадочных законов линейчатых спектров, распутанных Бальмером, Ридбергом и Ритцем, но и постепенно привела к систематической классификации, на основе спектроскопических данных, типов стационарной связи каждого электрона в атоме; это дало полное объяснение замечательным зависимостям между физическими и химическими свойствами элементов, – зависимостям, выраженным в знаменитой таблице Менделеева.
Бор сформулировал свои идеи в виде трех постулатов:
Бор применил эти постулаты к простейшему атому, атому водорода, вокруг ядра которого вращается только один электрон. Каждый шаг был триумфом. Радиус орбиты электрона хорошо совпал с радиусом атома водорода, известным из опытов с газами. Подсчет частот, связанных с переходами между простейшими стационарными состояниями, совпал с известными сериями линий Бальмера и Пашена и позволил вычислить постоянную Ридберга, определенную ранее только из опыта.
Бор применил свою теорию к иону гелия – системе, также имеющей только один электрон, но вчетверо более тяжелое ядро, чем ядро атома водорода. Бор получил серию частот, совпавшую с серией спектральных линий, наблюдавшихся в некоторых звездах и в то время приписывавшихся водороду. Впоследствии правота Бора стала еще одним триумфом его теории.
Но попытки применить теорию к неионизированному атому гелия – системе с двумя электронами – и к более сложным атомам натолкнулись на непреодолимые математические трудности.
Эти трудности в существенной мере преодолел теоретик старшего поколения Зоммерфельд. Он ввел в модель Бора наряду с круговыми орбитами более сложные эллиптические орбиты электронов. Это позволило ему вывести расчетным путем комбинационный принцип, полученный Ритцем из простого сопоставления данных опыта. Затем Зоммерфельд, оценив скорости движения электронов по их орбитам, установил, что они столь велики, что для расчетов нужно применять теорию относительности Эйнштейна.
Так он смог объяснить существование многих спектральных линий, не входивших в известные спектральные серии. Оказалось, что они возникают вследствие того, что эллиптические орбиты в соответствии с требованиями теории относительности вращаются вокруг ядра так, что электрон движется не по замкнутому эллипсу, а по своеобразной бесконечной розетке. Впрочем, и после усовершенствования теория была слишком сложной, а главное – не все ее предсказания согласовывались с опытом.
Постепенно у физиков крепло сознание необходимости радикальных перемен.
В 1917 году Эйнштейн сделал шаг, последствия которого он еще не мог предвидеть. Шаг заключался в применении к атому Бора того статистического подхода, который сам Эйнштейн и польский ученый Смолуховский применили к расчетам таинственного броуновского движения – безостановочной пляске мельчайших частиц.
Эйнштейн заметил, что акты излучения и поглощения света должны подчиняться таким же вероятностным закономерностям, как радиоактивный распад. Каждый единичный акт непредсказуем и случаен, но в среднем проявляются четкие закономерности, соответствующие объективным законам природы.
Он предположил, что в атомах, не подвергающихся внешним воздействиям, электроны переходят из состояний с более высокой энергией в состояния с более низкой энергией со вполне определенной вероятностью, обусловленной строением атома. Интенсивность излучения, связанного с такими спонтанными – самопроизвольными – переходами, пропорциональна числу атомов, находящихся в состоянии с высокой энергией, – возбужденных атомов.
Если же атомы находятся в поле излучения, частота которого совпадает с одной из боровских частот, то вероятность электронного перехода, связанного с излучением или поглощением фотона этой частоты, пропорциональна интенсивности поля.
Эти два предположения имели два важнейших следствия.
Из них непосредственно вытекает формула Планка для излучения «черного тела», устранившая опасность ультрафиолетовой катастрофы». Это давало уверенность в правоте Эйнштейна.
Но второе следствие настораживало.
Из предположений Эйнштейна неизбежно получалось, что фотон уносит из атома не только энергию, но и импульс; что элементарный акт излучения света не может быть описан сферической волной. Так в науку вновь вошла необходимость объединения волновых и корпускулярных свойств света, ибо теперь фотоны, обретя импульс, опять уподобились частицам. Теперь в физику по-настоящему вторглись законы случая и их нельзя стало рассматривать просто как путь упрощения слишком громоздких вычислений в задачах о множестве частиц. Вероятностные законы оказались связанными с элементарными единичными актами. Лишь много позднее выяснилось, как все это связано с лазерами. Но прежде в науке должно было произойти много важных событий.
Был 1911 год. В науку входил один из интереснейших умов. Луи де Бройль начал свою самостоятельную жизнь с получения степени бакалавра.
Начал он с того, что стал работать в лаборатории своего брата. Первые его труды посвящены рентгеновскому излучению и фотоэффекту. А вернувшись в 1919 году из армии, он полностью подпадает под обаяние эйнштейновской теории световых квантов. Его подхлестнуло именно то, что маститым немецким физикам казалось подозрительным в дерзкой теории.
Эйнштейн и не претендовал на то, чтобы объяснить при помощи квантов появление цвета в тонких пленках – например, радужной окраски разлитой по воде нефти – и других интерференционных явлений. Если считать, что свет – только частицы, этого не объяснишь. Он слишком глубокий физик, чтобы пытаться так делать. То была бы грубая работа.
Луи де Бройль подхватил идеи Эйнштейна. Еще в ранней молодости его поразила аналогия уравнений, управляющих движением волн и поведением сложных механических систем. Теперь же непостижимое появление целых чисел в правилах, позволяющих вычислять орбиты атома водорода, навело его на мысль о родстве этих правил с законами волнового движения, в которых постоянно возникают простые целые числа.
Руководствуясь идеями Эйнштейна, в частности его соображениями о связи массы и энергии, вытекающими из теории относительности, де Бройль проделал для частиц работу, обратную той, которую Эйнштейн провел для волн света. Эйнштейн связал электромагнитные волны с частицами света; де Бройль связал движение частиц с распространением волн, которые он назвал волнами материи.
Через год двадцатипятилетний геттингенец Вернер Гейзенберг опубликовал свою знаменитую матричную механику. Она была удивительным порождением интуиции.
Молодой профессор из Цюриха Эрвин Шредингер весной 1926 года прорубил еще одну просеку в дремучем лесу микромира. Шредингер получил замечательное уравнение, известное теперь под названием волнового. Он показал, что в сложных случаях, когда в процессе участвует сразу много частиц, соответствующая волна, описывающая их движение, становится очень сложной. Она уже не помещается в пределах обычного трехмерного пространства. Для ее описания нужно вообразить пространство со многими измерениями!
Теперь в физику микромира прочно вошло абстрактное многомерное пространство, дотоле бывшее многолетней вотчиной классической физики.
Так в результате вдохновенной работы де Бройля, Гейзенберга и Шредингера родилась новая квантовая механика – удивительное, не совсем понятное, заряженное математической взрывчаткой оружие для дальнейших походов в микромир.
В преодоление трудностей, возникавших на пути триединой теории, включались все новые силы. Но главное направление здесь вело не к лазерам, а к атомной бомбе и атомной электростанции. Поэтому мы оставим этот путь и вернемся назад, чтобы проследить за развитием других идей, имеющих непосредственное отношение к нашей теме.
В эти столь бурные годы Мандельштама привлекли работы Планка, стремившегося понять, почему свет, проходящий через прозрачную, незамутненную среду, ослабляется. Причиной могло быть только рассеяние. Но что может рассеивать свет в чистом, однородном газе?
И как быть с опытами, безупречными опытами, с удивительной точностью подтверждавшими ранее господствующую теорию рассеяния? Все в ней представлялось бесспорным и как бы протестовало против вмешательства.
Мандельштама не смутило совпадение результатов опытов с прежней теорией. Об одном из таких опытов он написал в 1907 году: «Это совпадение должно рассматриваться как случайное».
Целым рядом работ Мандельштам показал, что беспорядочное движение молекул не делает газ однородным. В реальном газе всегда имеются мельчайшие разрежения и уплотнения, образующиеся в результате хаотического теплового движения. Вот они-то и приводят к рассеянию света, так как нарушают оптическую однородность воздуха.
Много позже, в 1917 году, Мандельштам и независимо от него французский ученый Леон Бриллюэн задались вопросом о том, как же происходит рассеяние света в прозрачных однородных жидкостях и твердых телах, плотность которых неизмеримо больше плотности воздуха.
Оказалось, что и здесь большую роль играют флуктуации плотности, подчиняющиеся законам, родственным тем, которые приводят к движению броуновские частицы.
Но в жидкостях и твердых телах, которые физики объединяют обобщающим понятием – конденсированные среды, в процесс рассеяния света вмешивается новый фактор, корни которого простираются до 1820 года, когда французы Дюлонг и Пти установили замечательный факт равенства удельной теплоемкости всех твердых тел. Попытки объяснить эту закономерность дали толчок многим далеко идущим исследованиям. Но причина столь удивительного равенства так и осталась неясной, и опытный факт со временем превратился в закон Дюлонга и Пти. Лишь более чем через половину века цюрихский профессор Вебер обнаружил, что удельные теплоемкости алмаза, графита, бора и кремния резко отклоняются в меньшую сторону от закона Дюлонга и Пти. Он же установил, что повышение температуры уменьшает обнаруженное им отклонение.
Эйнштейн, в студенческие годы слушавший лекции Вебера, не мог остаться равнодушным к его открытию. Он представил себе атомы твердых тел колеблющимися вокруг устойчивых положений равновесия, определяемых взаимодействием их электрических полей. Свойства таких атомных систем напоминают в общих чертах поведение системы грузиков, связанных пружинками. Эйнштейн стремился во всех случаях описать сложную систему при помощи наиболее простых моделей и наиболее простых формул, лишь бы они воспроизводили существенные черты реальных явлений. Этот путь и здесь привел его к успеху. Применив к своей модели формулы Планка, он смог объяснить наблюдения Вебера.
Впоследствии Дебай развил работу Эйнштейна и показал, что тепловые колебания твердых тел имеют ту же природу, что и звуковые колебания, но частоты их занимают несравненно больший диапазон, чем слышит наше ухо. То были ультразвуковые и гиперзвуковые колебания, много позже освоенные техникой. Но звуковые волны связаны с сжатием и разрежением, с изменением плотности вещества. Если эти волны порождаются тепловыми движениями, то их наложение приводит к хаотическим изменениям, к флуктуациям, плотности. Достаточно было осознать это, и механизм рассеяния света в конденсированных средах становился ясным. Теперь этот процесс известен как рассеяние Мандельштама – Бриллюэна. Он приобрел новое значение после создания лазеров.
Много лет спустя, в 1925 году, Мандельштам продолжил исследования рассеяния света ,Результаты совместной работы были неожиданны и необычайны. Ученые обнаружили совсем не то, что ожидали, не то, что было предсказано теорией. Они открыли совершенно новое явление. Но какое? И не ошибка ли это? В рассеянном свете появилась целая комбинация частот, которых не было в падающем на вещество свете.
На фотографиях спектра рассеянного света упорно появлялись слабые и тем не менее вполне явные линии, свидетельствующие о наличии в рассеянном свете «лишних» частот. Многие месяцы ученые искали объяснение этому явлению. Откуда в рассеянном свете появились «чужие» частоты?
И настал день, когда Мандельштама осенила изумительная догадка. Это было удивительное открытие, то самое, которое и теперь считается одним из важнейших открытий XX века.
Глубокая интуиция и ясный аналитический ум Мандельштама подсказали ученому, что обнаруженные изменения частоты рассеянного света не могут быть вызваны теми межмолекулярными силами, которые выравнивают случайные неоднородности плотности воздуха или вызывают ультразвуковые – дебаевские – волны в твердых телах. Ученому стало ясно: причина, несомненно, кроется внутри самих молекул вещества, и явление вызвано внутримолекулярными колебаниями атомов, образующих молекулу. Такие колебания происходят с гораздо более высокой частотой, чем те, что сопровождают образование и рассасывание случайных неоднородностей среды. Вот эти-то колебания атомов в молекулах и сказываются на рассеянном свете. Атомы как бы метят его, оставляют на нем свои следы, зашифровывают дополнительными частотами.
Таким образом, для объяснения нового явления, которое получило название «комбинационное рассеяние света», достаточно было теорию молекулярного рассеяния, созданную Мандельштамом, дополнить данными о влиянии колебаний атомов внутри молекул.
Впоследствии из этого открытия была извлечена огромнейшая польза, оно получило ценное практическое применение.
В наши дни комбинационное рассеяние стало основой одного из типов лазеров.
Мы уже знаем, как Эйнштейн сделал первый шаг к лазерам. Но в то время никто не понял, куда ведет тропинка, на которую он ступил. Не понял этого и он сам. Его интересовало другое. Оптикам и до Эйнштейна было известно, что самопроизвольное излучение атомов не зависит от внешних условий, а определяется только свойствами атомов. Напротив, поглощение растет вместе с интенсивностью падающего света.
Это был чисто теоретический вывод. Вынужденное излучение не поддавалось наблюдению: его маскировало более сильное поглощение.
Валентин Александрович Фабрикант обратил внимание на то, что вынужденное излучение ненаблюдаемо только потому, что в обычных условиях этому препятствует закон Больцмана. В соответствии с ним атомы предпочитают находиться в состояниях с малой энергией, подобно тому, как молекулы воздуха скапливаются в нижних слоях атмосферы. Внизу воздух плотнее, с высотой он становится все более разреженным.
Так и атомы. В состояниях с малой энергией их много, в верхних состояниях меньше. А так как, по теории Эйнштейна, внешнее электромагнитное поле с равной вероятностью побуждает единичный атом поглотить фотон и повысить свою энергию или испустить фотон и избавиться от избыточной энергии, то результат определяется законом Больцмана: в обычных условиях число атомов, способных к поглощению, преобладает.
Значит, сказал Фабрикант, нужно создать необычные условия, в которых закон Больцмана уже не властен. Для этого необходимо нарушить тепловое равновесие среды, и нарушить так сильно, чтобы атомов с большой энергией стало больше, чем атомов с малой. Тогда такая среда вместо поглощения света будет усиливать его...
В том же 1951 году известный физик Пэрселл и молодой радиофизик Паунд сумели на короткий срок столь сильно нарушить тепловое равновесие вещества, что оно стало активным – вынужденное испускание в нем превосходило поглощение электромагнитных волн. Правда, то были не световые, а радиоволны, но от этого опыт не становился менее важным. Опыт был очень простым. Физики помещали кристалл фтористого лития в поле сильного магнита. Кристалл намагничивался. Большинство ядер атомов лития и фтора, являющихся подобием маленьких магнитиков, поворачивалось вдоль поля магнита так, чтобы их энергия в поле была минимальной. Затем кристалл нужно быстро вынуть из поля, перевернуть так, чтобы та его сторона, которая была обращена к северному полюсу магнита, обратилась к южному, и всунуть кристалл обратно. Теперь большинство ядер-магнитиков направлено против поля. Их энергия в поле максимальна. Они стремятся избавиться от избыточной энергии, излучая радиоволны. Они излучают спонтанно – самопроизвольно. Но Пэрселл и Паунд не догадались, что стоит направить на кристалл внешнюю радиоволну – и она будет усилена. Пэрселл и Паунд стояли на пороге открытия, но не сделали решающего шага.
В лаборатории все были проникнуты стремлением к познанию основных закономерностей, объединяющих между собой разнообразные явления. Главным руководством служила общая теория колебаний, которая в то время находилась в стадии построения своей наиболее сложной – нелинейной части. Эта теория позволяла с единой точки зрения изучать работу лампового генератора радиоволн и работу человеческого сердца, распространение радиоволн и распространение звука, таинственный люксембургско-горьковский эффект и прохождение света через кристаллы. Всего не перечесть.
В это время в лаборатории появился студент-практикант Николай Басов.
Дружная работа молодых радиофизиков, одинаково хорошо владеющих искусством тонкого эксперимента и методами современной теории, обладающих исключительной интуицией и чувством нового, привела их к переломному пункту их научной судьбы – к созданию молекулярного генератора радиоволн, к открытию фундаментальных принципов, ставших основой новой области науки, которую они назвали квантовой радиофизикой.
Примерно в то же время далеко за океаном, в Колумбийском университете города Нью-Йорка, почти тем же путем входил в науку молодой физик Чарлз Таунс. Колумбийский университет, основанный в 1754 году, превратился в крупный научный центр еще до того, как разгул фашизма в Италии и Германии, а затем захват гитлеровцами стран Центральной и Западной Европы вызвали массовую эмиграцию ученых. Впрочем, даже в двадцатые годы нашего века Колумбийский университет был единственным местом в многомиллионном городе, где можно было заниматься физикой.
К началу второй мировой войны здесь сформировался первоклассный центр по исследованию атомных пучков. Основатель его – Исидор Раби – взял старт в Европе, в лаборатории Штерна, патриарха подобных исследований. Но Раби сделал существенный шаг вперед – он сочетал технику атомных пучков с радиотехникой. Так, по существу, родилась радиоспектроскопия.
Радио объединилось с атомами и молекулами. Появилась возможность чрезвычайно точно исследовать многие свойства атомных ядер, но это еще не привело к возникновению новой области науки.
Радиоспектроскопия родилась вторично и начала бурно развиваться после второй мировой войны, когда физикам стала доступна техника сантиметровых радиоволн, созданная в ходе развития радиолокации.
Ранние публикации Таунса в области радиоспектроскопии относятся к 1946 году. Первая содержала несколько строчек. То была лишь аннотация, по английской терминологии «абстракт», об исследовании молекулы аммиака.
За первым шагом последовал быстрый разбег – в следующем году два письма и три абстракта, уже с новыми интересными результатами, а еще через год Таунс стал одним из ведущих специалистов в области радиоспектроскопии газов.
Рождение квантовой радиофизики относится к 1954 году, когда Басов и Прохоров в Физическом институте имени П.Н. Лебедева в Москве и Таунс вместе с Гордоном и Цайгером в Колумбийском университете в Нью-Йорке практически одновременно и совершенно независимо добились генерации радиоволн при помощи молекул. Это был прибор нового типа. Молекулярный генератор – назвали его в Москве, мазер – окрестили его в Нью-Йорке. Слово «мазер» образовалось из первых букв английской фразы, описывающей принцип, лежащий в основе работы прибора («усиление радиоволн при помощи вынужденного испускания» – «Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation»).
Но поскольку молекулярный генератор был действующим прибором, его появление означало рождение близнецов. Вместе с квантовой радиофизикой возникла квантовая электроника – так впоследствии назвали техническое направление новой науки.
Атомы, комбинируясь в различных сочетаниях, образуют все многообразие мира. Даже если атомы однотипны, они могут группироваться по-разному. Так, углерод может предстать невзрачным коксом, блестящим черным графитом и ослепительным алмазом. Все зависит от условий, созданных природой или человеком. Так, будничная окись хрома, попав в бесцветный корунд, превращает его в прекрасный рубин, а войдя в столь же бесцветный берилл, порождает изумруд, считающийся более драгоценным камнем, чем бриллиант.
Советский и американский варианты молекулярных генераторов – настоящие близнецы. Генетически они тождественны. Но, развиваясь в различных условиях, приобрели некоторые внешние различия. Совсем как у людей. Так, цвет лица близнецов может быть смуглым и бледным в зависимости от климата, а фигура измениться в соответствии с кулинарными пристрастиями супруги.
Сердцем обоих приборов является объемный резонатор. В нем под влиянием его электромагнитного поля происходят акты вынужденного испускания молекул. Он осуществляет обратную связь, связь между молекулами, уже успевшими излучить, и теми, которым это только предстоит. Он обеспечивает высокую упорядоченность такого коллективного излучения. Упорядоченность, несвойственную ранее излучению молекул и атомов, но являвшуюся отличительной особенностью радиоволн. Итак, сердце в обоих приборах исполняет одинаковую функцию и действует в соответствии с едиными законами. Здесь сочетаются вынужденное испускание и обратная связь. Несколько различаются лишь размеры резонаторов, но это почти не сказывается на работе прибора.
И в Москве, и в Нью-Йорке рабочим веществом был аммиак – газ, ставший пробным камнем радиоспектроскопии. Его молекулы обладают самыми интенсивными спектральными линиями в диапазоне сантиметровых волн, наиболее удобном для проведения экспериментов. Свойства молекулы хорошо изучены и позволяют просто совершить важнейший шаг, без которого молекулярный генератор остался бы грудой металла. Речь идет о нарушении теплового равновесия, нарушении столь сильном, что в результате молекул, находящихся на более высоком энергетическом уровне, становится больше, чем оставшихся на нижнем уровне. Если это достигнуто, совокупность молекул, попав в поле резонатора, будет излучать радиоволны, усиливая поле. Если же равновесие нарушено недостаточно сильно или не нарушено совсем, то в совокупности молекул будут преобладать находящиеся внизу, что приведет к обычному поглощению энергии радиоволн.
Но продолжим сравнение наших близнецов. Все их существенные детали расположены внутри металлических кожухов. Конечно, форма кожухов различна, но назначение одинаково. Внутри должен быть обеспечен вакуум. Доступ воздуха недопустим. Вакуум обеспечивается специальными насосами. Насосы поступили с различных заводов, но и они близнецы. Они способны в должной мере откачать из прибора воздух, но не могут справиться с массой аммиака, которая, по расчетам, должна поступать в приборы во время их работы. И в Физическом институте, и в Колумбийском университете на помощь насосам призван жидкий азот. Он охлаждает специальные металлические поверхности до температуры 77 градусов по шкале Кельвина, и аммиак намерзает на них, постепенно образуя слой, похожий на иней. Его можно видеть через смотровые окна, имеющиеся в приборах. Аммиак поступает в приборы из баллонов. Сперва он попадает в цилиндрик, одна из стенок которого сделана из металлической фольги со множеством мельчайших отверстий. Через отверстия в вакуум вылетает пучок молекул аммиака. Молекулярный пучок. Здесь нет игры в слова. Молекулярный пучок, по терминологии физиков, – это пучок молекул, вылетающих в вакуум таким образом, что они летят почти параллельно друг другу и практически не сталкиваясь между собой. Таких условий можно добиться, подбирая размеры отверстий в фольге и давление газа перед нею в соответствии с правилами, определяемыми свойствами газов.
Важнейшей деталью молекулярного генератора является квадрупольный конденсатор – конденсатор, образованный четырьмя стерженьками специальной формы, присоединенными через один к положительному и отрицательному полюсам высоковольтного выпрямителя. Конденсатор установлен между источником молекулярного пучка и входным отверстием резонатора. Поле конденсатора действует на молекулы аммиака так, что те из них, которые находятся в нижних энергетических состояниях, отбрасываются в стороны, а находящиеся в высших энергетических состояниях направляются в резонатор. Таким образом, в резонатор попадает пучок молекул, подавляющее большинство которых обладает избытком внутренней энергии. Физики называют такой пучок инвертированным. Под действием поля резонатора молекулы пучка отдают полю избыток своей внутренней энергии. Так молекулы генерируют радиоволны.
Логика науки держала физиков в жестких рамках. Именно поэтому обе группы шли столь схожими путями, как если бы они постоянно обменивались мыслями, обсуждали свои планы, достижения и неудачи. Может ли быть более убедительный пример единства научного процесса!
В начале 1960 года в лондонском журнале «Природа» появилось коротенькое сообщение Т. Меймана о том, что он создал новый генератор световых волн. Принципиально новый.
В лабораторию к Мейману началось паломничество. Там стоял ничем с виду не примечательный прибор. Но посетители не сводили глаз с маленького ящика, на верхней крышке которого лежал металлический цилиндр размером с литровую консервную банку. В середине его торца виднелось небольшое отверстие.
После кратких пояснений Мейман нажимал кнопку, вмонтированную в корпус прибора. В середине листа, прикрепленного к стене лаборатории, на мгновение ослепительно вспыхивало небольшое ярко-красное пятно.
Но те, кто смотрел не на стену, а на прибор, видели, как из отверстия в его торце вылетал луч толщиной не больше карандаша. Почти не расширяясь, этот луч упирался в стену, оканчиваясь ослепительным круглым пятнышком. В комнате было совсем светло, но красный луч выглядел примерно так же, как луч солнца, проходящий в затемненную комнату через отверстие шторы.
После нескольких вспышек металлический цилиндр обычно открывали. Но в нем не было ничего необычного. Разве лишь два тривиальных предмета. Спиральная лампа-вспышка, похожая на те, которыми пользуются фотографы, и бледно-розовый прозрачный кристалл размером с обычную сигарету. Концы его блестели как зеркало. Они действительно были покрыты зеркальным слоем серебра.
Мейман рассказывал коллегам, что розовый стерженек сделан из искусственного рубина. Такой же рубин, но еще более светлый, применяется в мазерах для усиления радиоволн.
В поглощении света участвует не весь материал, образующий кристалл, а только ионы хрома, которых здесь лишь доли процента. Но именно они играют главную роль в работе прибора. Свойства рубина подробно изучены при разработке мазеров. Облучая его радиоволной, можно заставить ионы хрома усиливать радиоволны.
Мейман первый догадался, что, облучая рубин светом лампы-вспышки, можно заставить его усиливать свет. Опыт работы с мазерами и статьи Таунса (а может быть, он читал и статьи Прохорова и Басова) говорили о том, что, применив обратную связь, можно превратить усилитель в генератор, в генератор света, действующий совершенно так же, как обычный радиопередатчик. Какой резонатор можно применить при работе со светом, тоже было известно – пару параллельных зеркал. Проще всего отполировать торцы рубинового стержня и прямо на них нанести зеркальный слой серебра.
Новый прибор оказался настолько похожим на мазер, что Мейман и в названии заменил лишь одну букву, превратив мазер в лазер. Он сказал: «Это потому, что принцип действия обоих приборов одинаков. Различаются только диапазоны длин волн, в которых они работают. Буква «л» – сокращение слова «лайт» (свет). Остальные буквы означают «усиление при помощи вынужденного испускания».
В приборе Меймана источниками света, как и в мазере, были миллиарды миллиардов электронов, входящих в состав ионов хрома, рассеянных в толще рубинового стержня. И все эти электроны испускали свет не независимо, не хаотически, не самопроизвольно. Они испускали его более согласованно, чем звучат скрипки в хорошем оркестре.
Такое совпадение основных характеристик световых волн оптики называют когерентностью. Почти все умопомрачительные достижения лазеров так или иначе связаны с когерентностью. С тем, что вынужденное излучение отдельных частиц в результате обратной связи оказывается жестко связанным и вся масса активного вещества генерирует как одно целое.
До появления прибора Меймана оптики почти всегда имели дело с некогерентным светом. Прибор Меймана впервые показал, что и в оптике слаженный коллектив приобретает качества и возможности, недоступные хаотическому сборищу индивидуальностей.
Физики уже имели дело с вынужденным испусканием электромагнитных волн в сантиметровом диапазоне радиоволн. Там оно привело к недостижимой ранее стабильности генераторов, к предельной чувствительности приемников.
Глава III. Гигантский импульс
Обезьяна, сбросив кокосовый орех с вершины пальмы спешит вниз, чтобы насытиться мякотью плода. Она постигла элементарную связь между причиной и следствием, между целью и способом ее достижения. Она знает, что не способна ни раздавить, ни разгрызть этот орех. Она научилась использовать в своих целях силу тяжести.
Человек не сильнее высших обезьян. Но умнее. Он начал применять, а затем и изготавливать орудия. Положив кокосовый орех на большой камень, он раскалывает его другим камнем. Обезьяна не может постичь того, что удар камнем по ореху заменяет падение ореха на камень. Человек же понял, что простой нажим даже тяжелого камня не даст того, к чему приводит резкий удар более легким.
Молот древнего кузнеца выполнял ту же функцию, которой служит молот в любой современной кузнице. Плавным взмахом молотобоец передает энергию своих мышц молоту, поднимая его и со все возрастающей скоростью обрушивая на заготовку. Огромный импульс, скопленный молотом во время взмаха, в мгновение ока деформирует заготовку, раз за разом превращая ее из грубой болванки в лемех плуга или ось повозки. Самые совершенные пневматические и электрические молоты выполняют ту же задачу – скопить в себе энергию сравнительно маломощного источника и выплеснуть ее в нужный момент в виде сокрушающего импульса.
Каждый раз, когда человек овладевал новым видом энергии, он стремился найти возможность запасать ее и потом мгновенно высвобождать. Так было и с электричеством. Еще в 1745 году некто Мушенброк в голландском городе Лейдене соорудил сосуд, способный запасать электричество, и поражал соседей яркими громыхающими разрядами. Тогда всем казалось, что молния покорена и скоро будет служить людям.
Но и в наши дни, когда электрические искры обрабатывают твердые сплавы, незримо трудятся в автомобильных двигателях, молния остается лишь грозным и опасным явлением природы, а лейденские банки можно увидеть только в школьных кабинетах физики. На смену им пришли разнообразные конденсаторы, без которых немыслим ни радиоприемник, ни телевизор, ни современный маяк, ни лампа-вспышка, помощница фотографа. Электрическая энергия, запасенная в виде заряда конденсатора, может высвободиться за очень короткие промежутки времени, порождая яркие сполохи сигнальных ламп современных самолетов.
Импульсные лампы, наполненные инертным газом ксеноном, батареи конденсаторов, накапливающих электрическую энергию для питания этих ламп, являются сейчас необходимыми элементами большинства лазеров, использующих кристаллы, стекла и жидкости в качестве активного материала, способного генерировать вспышки когерентного света.
Именно лазеры позволили ученым достичь наибольшей концентрации энергии. Энергия сосредоточивается в огромных по мощности пучках света, сжатого до размеров, не превышающих одного микрона. История борьбы за сверхвысокие мощности интересна не только сама по себе, но и как прелюдия к не менее захватывающему будущему. Сверхмощные импульсы света в прямом и переносном смысле освещают один из многообещающих путей к покорению энергии термоядерного синтеза. Возможно, именно так человечество овладеет неисчерпаемыми источниками ядерной энергии, сохранив уголь и нефть, торф и древесину от уничтожения в топках.
Физики знают: для того чтобы два ядра тяжелого водорода – дейтерия могли слиться друг с другом, образуя ядро гелия и высвобождая порцию энергии, они должны столкнуться между собой с огромными скоростями. Только при этом могут быть преодолены силы взаимного отталкивания одноименных зарядов ядер. Силы, защищающие ядро от ему подобных, крепче лат средневековых рыцарей. Чтобы придать ядрам дейтерия нужную скорость, следует нагреть их до температуры в несколько десятков миллионов градусов. Но одного этого недостаточно. Ведь ядра нельзя точно направить одно на другое, с тем чтобы они обязательно столкнулись между собой. Столкновение – дело случая. И чтобы такие случаи реализовались в достаточном количестве, нужно на некоторое время удержать раскаленный газ в ограниченном объеме, несмотря на огромные скорости, заставляющие его рассеиваться в пространстве.
Итак, нагреть и удержать. Но как нагреть и как удержать? Первый обнадеживающий путь указал академик И.Е. Тамм: нагреть электрическим разрядом и удержать силой магнитных полей. Этот путь привлек многих ученых. Но никто еще не прошел его до конца. Никто не достиг вожделенной цели.
Главная причина в том, что при помощи электрического разряда невозможно осуществить достаточно быстрый нагрев. И даже сегодня мощная магнитная ловушка не способна удержать от расширения плазму, когда ее температура превышает миллион градусов... Соревнование между природными свойствами атомов и ухищрениями людей кончается не в пользу последних. Тепловое движение, стремящееся разметать атомы, пока что берет верх над удерживающими силами ловушки и способностью мощного электрического разряда продолжать нагрев разлетающейся плазмы.
А вот другой путь. В вакуумную камеру выстреливается льдинка замороженного дейтерия. Мощная вспышка лазера встречает льдинку в центре камеры. Мощность лазерного луча столь высока, что льдинка, температура которой первоначально близка к абсолютному нулю, мгновенно превращается в крупинку Солнца.
В этой адской температуре порваны связи между ядрами и электронами. Атомов дейтерия уже нет. Пылает плазма из ядер дейтерия – дейтонов и свободных электронов. Сталкиваясь между собой, дейтоны образуют ядра гелия. Температура при этом еще больше нарастает. Сопутствующие реакции порождают свободные нейтроны. Еще несколько мгновений – и рукотворная звездочка гаснет. Плазма, быстро остывая, разлетается по вакуумной камере.
И каждый из таких филигранных опытов требует одновременного применения наиболее выдающихся достижений современной науки – криогенной техники, высокого вакуума, сверхмощных лазеров – и автоматики, не менее сложной, чем та, которая направляет зенитный снаряд в сверхзвуковой самолет.
О каждой из этих областей можно написать целую книгу, но наша книга о лазерах. Поэтому здесь речь пойдет о том, как появились, и как работают лазеры, способные зажечь рукотворную звезду. Лазеры, дающие гигантские по мощности импульсы света.
Первый лазер, подобно первому паровозу, был весьма несовершенным. Он перерабатывал в свет примерно пять сотых процента энергии, запасенной в конденсаторах, питавших лампу-вспышку. Это была, конечно, ничтожная мощность. И все же уже излучение первых лазеров обладало замечательными свойствами. В отличие от света обычных ламп, уходящего во все стороны, оно образовывало узкий слабо расходящийся луч. Диаметр луча при выходе из лазера составлял примерно сантиметр и увеличивался до двух сантиметров только на расстоянии в метр. Энергия вспышки составляла один джоуль. Примерно такую энергию излучает за одну секунду лампочка карманного фонаря мощностью в один ватт. Но лазер излучал эту энергию всего за тысячную долю секунды. Для того чтобы излучить один джоуль за тысячную долю секунды, необходима лампа мощностью в целый киловатт. Но обычная лампа не способна образовать узкий луч. Свести весь свет, излучаемый лампой, в луч, подобный лучу лазера, невозможно.
Уже через несколько лет, прошедших после появления первых лазеров, возможности новых приборов чрезвычайно возросли. Увеличение размеров и качества искусственных рубинов привело к увеличению энергии лазерной вспышки до сотен джоулей. Применение в лазерах специального стекла, содержащего ионы редкоземельного элемента неодима, дало еще более высокие энергии. Неодимовый лазер способен давать вспышки, энергия которых составляет многие килоджоули.
Такой рост энергии позволил применить лазеры для технологических целей в промышленности, для измерения расстояний в геодезии и астрономии, для лечения больных и, конечно, для различных исследовательских целей. Новые возможности, заманчивые цели требовали дальнейшего наращивания мощности лазеров.
Но увеличивать мощность лазерного излучения простым повышением энергии отдельных лазерных вспышек становилось все труднее и труднее. Промышленность практически достигла предела увеличения размеров рубиновых стержней. Изготавливать большие активные элементы из неодимового стекла значительно проще, но и здесь каждый следующий шаг требует колоссальных усилий и больших затрат.
Достигли практического предела и импульсные лампы, излучающие свет, возбуждающий активный материал лазера.
Оставалась возможность увеличить мощность лазерной вспышки, сокращая продолжительность лазерного импульса при той же энергии. Но для этого нужно увеличивать и мощность импульсных ламп накачки, чего, в свою очередь, тоже можно добиться, лишь сокращая длительность их вспышки. Однако такой путь оказался нереальным из-за быстрого разрушения ламп накачки.
Принципиально новый путь уже через год после появления первого лазера указал Р. Хеллворс. Его идея явилась результатом критического анализа процесса генерации лазера, активным веществом которого является кристалл или стекло, возбуждаемые светом ламп накачки. Оказывается, импульс света, излучаемого таким лазером, обычно имеет сложную структуру.
В большинстве случаев каждая вспышка лазера состоит не из монолитного импульса, а из множества отдельных вспышек, пичков, длительность которых составляет лишь миллионные доли секунды. Такие пички хаотически следуют один за другим с интервалами, равными обычно тоже миллионным долям секунды.
Почему же возникает такая сложная картина?
Этот вопрос не мог не волновать физиков, так как они понимали, что мощность лазера, таким образом, дробится на мелкие беспомощные порции.
Чтобы бороться с явлением, надо понять его. Что же происходит в кристалле или стекле при генерации? И физики снова мысленно оценивали каждую деталь лазера. Все знакомо, все тысячи раз ощупано...
В обычном состоянии активные ионы, обеспечивающие работу лазера, – ионы хрома в рубине или ионы неодима в стекле – находятся в основном энергетическом состоянии. Весь активный элемент пребывает в тепловом равновесии с окружающей средой.
А после начала вспышки импульсной лампы накачки? Активные ионы поглощают ее свет и постепенно во все возрастающем количестве переходят в возбужденное состояние.
Все это тоже было хорошо известно. Известно и то, что, как только число возбужденных ионов достигнет определенной величины, называемой порогом возбуждения, в лазере начнется генерация – лавинообразное возрастание числа фотонов. И генерация эта вызвана дружным переходом массы возбужденных ионов обратно в основное состояние. Как только вследствие испускания фотонов количество активных ионов станет недостаточным для поддержания генерации, генерация прекратится. Только под влиянием света ламп накачки может начаться новое увеличение числа активных ионов. Как только вновь будет достигнут порог генерации, возникнет излучение следующего пичка и так далее – до угасания вспышки лампы накачки.
Долго ученые пытались форсировать режим ламп накачки. Но, увеличивая энергию ламп накачки, удавалось увеличить лишь количество отдельных пичков, но не мощность каждого из них.
Тогда, может быть, попытаться изменить сам процесс генерации?
Хеллворс решил попытаться достичь цели, добившись увеличения числа возбужденных ионов к моменту начала генерации, подняв порог возбуждения лазера. Он знал, что величина порога возбуждения зависит от многих причин, прежде всего от свойств активных ионов, длины активного элемента и отражающей способности зеркал. От тех же характеристик лазера зависит и мощность отдельного пичка. Он понимал, что самый простой способ – уменьшить коэффициент отражения одного из зеркал. При этом действительно, прежде чем лазер начнет генерировать, в активном веществе должно накопиться большее число возбужденных ионов, чем в случае, когда оба зеркала отражают хорошо.
Но запасти большую энергию к началу генерации недостаточно для того, чтобы она полностью превратилась в излучение лазера. Малый коэффициент отражения выходного зеркала увеличивает не только порог, после которого начинается генерация, но и вызывает ее прекращение при большем запасе не высветившейся энергии. Итак, простой путь ведет в тупик.
Но Хеллворс нашел выход. Нужно, решил он, суметь быстро менять отражающую способность зеркала. Пусть она будет плохой до начала генерации и хорошей после того, как генерация началась. Можно заслонять зеркало не отражающим затвором и затем в нужный момент открывать его. Можно перед началом работы ламп накачки отклонять зеркало от правильного положения и возвращать в нужное положение лишь тогда, когда в активном веществе накопится достаточное количество возбужденных ионов.
Результаты первых же опытов превзошли все ожидания. Между выходным стержнем и зеркалом поставили затвор. Он открывался в тот момент, когда энергия, запасенная в активном веществе, достигала максимума. Неизвестно, ожидал ли Хеллворс увидеть то, что произошло в момент открытия затвора.
Не было ничего похожего на привычную работу лазера. Вся энергия, запасенная в активном стержне, выплеснулась в одном импульсе излучения. Хеллворс назвал его гигантским. Мощность излучения в импульсе превзошла десять миллионов ватт! Удивительной была и длительность импульса. Он продолжался лишь несколько стомиллионных долей секунды. И он был один. Хаотические пички не появлялись. В корне изменился весь процесс генерации.
Один из моих знакомых физиков в таких случаях говорит: «Был бы факт, а объяснение найдется».
Вот как объяснил своим коллегам возникновение гигантского импульса в лазере удачливый Хеллворс:
«Для генерации лазера необходимо одновременное наличие двух факторов – активное вещество должно быть возбуждено, а резонатор должен обеспечивать достаточно сильную обратную связь, чтобы при доступном уровне возбуждения был достигнут порог самовозбуждения. Радиолюбитель увидит в этом много общего с условием самовозбуждения обычного лампового генератора. Возбужденный активный стержень, подобно радиолампе, поставляет в генератор энергию. Зеркала, образующие оптический резонатор, подобно катушке обратной связи, заставляют электромагнитные волны многократно циркулировать в системе, причем каждый замкнутый цикл сопровождается усилением, увеличением энергии волны.
В случае лазера, имея в виду энергию электромагнитной волны, удобнее говорить о числе фотонов, пролетающих через сечение активного стержня. Если условие самовозбуждения выполнено, то с каждым пролетом через стержень происходит лавинообразное увеличение числа фотонов. Очень важно, что скорость развития этой лавины не остается постоянной, а все возрастает по мере увеличения числа фотонов. Еще Эйнштейн определил это такими словами: вероятность испускания фотона под влиянием световой волны пропорциональна плотности энергии в этой волне. Но, пользуясь терминологией радиоинженеров, можно, говоря о качестве оптического резонатора, оценить его понятием добротности. Хороший резонатор имеет большую добротность, плохой резонатор – малую добротность. Если резонатор образован двумя хорошими зеркалами, его добротность велика. Закройте одно из зеркал, и резонатор перестанет существовать, его добротность упадет до нуля, обратная связь в лазере прекратится. Генерация не возникнет.
– Итак, – развивал свою мысль Хеллворс, – если лазер работает в обычном режиме, без управления добротностью, он генерирует серию хаотических пичков, совокупность которых образует лазерный импульс. Перед началом каждого пичка возбуждение активного вещества лишь немного превышает пороговое значение. Но и к концу этого пичка возбуждение активного вещества очень слабо опускается ниже порога. Продолжающееся действие ламп накачки создает условия для возникновения нового пичка. И так до тех пор, пока лампа накачки не истощит энергию, накопленную в конденсаторах.
В отличие от только что описанного режима свободной генерации в режиме управления добротностью активное вещество запасает в себе большую энергию. В момент включения полной добротности резонатора порог самовозбуждения оказывается превзойденным в несколько раз. При этом лавина самовозбуждения развивается так быстро и так интенсивно, что в одном-единственном импульсе высвечивается практически вся энергия, запасенная в веществе. Его возбуждение срабатывается не до порогового значения, а практически до нуля. Вещество разом освобождает всю энергию, запасенную им в процессе накачки. Вот и все. Я изложил вам условия игры. Игры в гигантский импульс».
Ученые многих стран включились в нее. После пионерской работы Хеллворса они начали совершенствовать методы генерации гигантских импульсов. Работа шла в двух направлениях: одно – совершенствование методов управления добротностью и второе – разработка материалов и конструкций, способных запасать большую энергию, поступающую от ламп накачки.
Было предложено и испытано множество различных методов управления добротностью. Жизнеспособными оказались три. Только они могли совместить быстродействие, надежность и малую величину потерь энергии в самой системе управления.
Теперь уже трудно сказать, кто предложил наиболее простую и достаточно эффективную систему с вращающейся призмой. То была изящная и легко выполнимая конструкция. В ней стеклянная призма, две грани которой перпендикулярны и равны друг другу, заменяет собой одно из зеркал. Призма вращается при помощи маленького моторчика со скоростью нескольких десятков тысяч оборотов в минуту. Генерация возникает после включения ламп накачки в тот момент, когда передняя грань призмы в первый раз станет перпендикулярно оси резонатора. Обычно поджог ламп накачки осуществляется автоматически и связан с положением вращающейся призмы. Это обеспечивает достаточно хорошее воспроизведение условий генерации, а значит, увеличивает энергию гигантских импульсов.
Эта система сразу появилась во многих лабораториях и завоевала симпатии лазерщиков своей доступностью. Но скоро обнаружилось что-то вроде «врожденного порока». Скорость перехода от малой добротности резонатора к большой оказалась ограниченной. И ничего нельзя было поделать. Ведь призмы только постепенно занимают нужное положение. Не все сечение активного вещества одновременно охватывается процессом генерации. Казалось, можно уменьшить эти недостатки, увеличивая скорость вращения. Попробовали. Но скоро исчерпали все возможности. Порок был неустраним. Предел определяется прочностью материалов, неспособных противостоять огромным центробежным силам. Увы, пришлось прекратить поиски в этом направлении и усилить разработку других систем.
Вскоре на страницах научных журналов появились упоминания об электрическом затворе. Применившие его писали, что он свободен от недостатков системы вращающейся призмы. Он переходит из закрытого состояния в открытое под действием электрического импульса, поэтому переход совершается всего за стомиллионные доли секунды. Причем переключение происходит одновременно по всему сечению затвора. Авторы этого способа, однако, не скрывали, что недостатком затвора является неполное просветление. Даже в открытом состоянии потери в нем не падают до нуля. Вот почему пришлось искать следующий способ. Третий способ...
Создание лазеров, генерирующих гигантские импульсы излучения, дало гигантский импульс не только дальнейшему развитию лазерной техники, но послужило мощным толчком, открывшим неожиданные перспективы в других областях и приведшим к появлению новых научных направлений.
Одним из них явилась нелинейная оптика. Еще в долазерную эру замечательный оптик академик С.И. Вавилов предвидел, что под действием света большой интенсивности свойства вещества должны изменяться. При этом уравнения, описывающие распространение света, усложняются. Они становятся нелинейными. Отсюда и название нового раздела оптики. Но до создания лазеров не удавалось создать источники света, мощность которых позволила бы непосредственно провести соответствующие опыты. Тем не менее, глубокая физическая интуиция позволила Вавилову найти единственный путь, по которому экспериментатор мог войти в недоступную область нелинейной оптики. Этот путь был основан на использовании резонансных явлений.
Имеется множество примеров, когда слабая сила, действующая в резонанс, вызывает постепенное нарастание колебаний, достигающих большой, иногда разрушительной интенсивности. Так, отряд солдат, проходя через один из петербургских мостов, разрушил его только потому, что, шагая в ногу, случайно попал в резонанс с собственными колебаниями моста.
Систематические исследования привели к успеху. Наблюдая поглощение света в области спектральных линий некоторых молекул, Вавилов и его сотрудники обнаружили, что величина поглощения уменьшается по мере увеличения интенсивности падающего света. Среда «просветлялась» в полном соответствии с предсказаниями. Кто мог ожидать, что отсюда впоследствии возникнет затвор для модуляции добротности лазеров, тот третий способ увеличения мощности импульса лазера, о котором мы только что условились пока не говорить?
Так мы и сделаем на время, пока не узнаем о том, что внес лазер в нелинейную оптику и оправдал ли он предсказания Вавилова.
Наступил 1961 год, который можно считать началом современного этапа развития нелинейной оптики. Его открыли опыты П. Франкена и сотрудников, которые в середине 1961 года наблюдали, как при прохождении луча рубинового лазера через прозрачный кристалл возникло слабое фиолетовое свечение.
То был типичный нелинейный процесс – удвоение частоты колебаний. Конечно, этот опыт был воспринят как сенсация. Теперь, при наличии лазеров с управляемой добротностью, такой эксперимент доступен любой лаборатории и может послужить лабораторной работой для студента.
.В. Хохлов , установил, что надо сделать, чтобы умножение частоты в оптике стало столь же эффективным, как в радиодиапазоне. Он доказал, что нужно создать особые условия, при которых были бы равны скорости основной волны, возбуждаемой гигантским импульсом лазера, и волны удвоенной (или утроенной) частоты, возникающей в веществе.
Они же создали новый тип лазера – параметрический генератор света, – который представляет собой, по существу, преобразователь частоты и перерабатывает гигантский импульс лазерного излучения в излучение, частота которого может по желанию экспериментатора принимать любое значение в широком диапазоне световых волн. Но этим не ограничились те новые истины, которые добыл лазер в области нелинейной оптики.
Нелинейная оптика тесно связана с явлением рассеяния света на акустических волнах – с так называемым рассеянием Мандельштама – Бриллюэна; с комбинационным рассеянием, Гигантские импульсы света, излучаемые лазерами с управляемой добротностью, придали этим и некоторым родственным явлениям большое практическое значение. Например, вынужденное комбинационное рассеяние гигантского импульса света позволило создать лазер нового типа. Вынужденное рассеяниев режиме гигантских импульсов должно, ограничивать возможности твердотельных лазеров, приводя к саморазрушению активного вещества.
Представьте себе узкий стеклянный или кварцевый сосудик, между плоскими стенками которого налита жидкость – раствор одного из химических красителей. Выбранный краситель отличается тем, что, сильно поглощая излучение лазера, он мгновенно выцветает, становится прозрачным. Процесс, близкий к тому, от которого страдали модницы и изготовители дешевых тканей, быстро выцветавших под лучами солнца.
В данном же случае эта особенность положена в основу управления генерацией лазера. Так называемый нелинейный затвор. Тот самый третий способ, о котором мы хотели узнать.
Если сосудик с таким красителем поставить перед одним из зеркал лазерного резонатора, зеркало окажется закрытым. Добротность резонатора упадет до нуля. Обратная связь станет невозможной. Создается впечатление, что генерация не начнется, сколь сильно ни будет возбуждено активное вещество. Но это не так. При больших уровнях возбуждения усиливающая способность активного вещества становится весьма значительной. Даже несколько фотонов, случайно испущенных активными ионами вдоль лазерного стержня, уже за один пролет по направлению к сосудику с красителем вызовут появление такого количества вынужденных фотонов, что их поглощение в красителе вызовет его заметное выцветание и просветление.
В результате часть фотонов пролетит сквозь приоткрывшийся затвор к зеркалу и обратно к активному веществу. Так начнется действие обратной связи, а значит, возникнет самовозбуждение лазера. Скорость развития процесса оказывается очень большой, ибо лавинообразное размножение фотонов в активном веществе вызывает столь же лавинообразное просветление красителя, а значит, увеличение обратной связи. Так рождается гигантский импульс.
Стремление достичь еще большей мощности лазерных импульсов, еще сильнее сократить их длительность заставило ученых внимательно изучить процесс возникновения и развития гигантских импульсов.
Как только излучение накачки обеспечит достаточно сильное возбуждение активного вещества, отдельные фотоны, излучаемые возбужденными ионами по законам случая, будут вызывать независимые миниатюрные микролавины. Развитие большинства из них обрывается на границе активного вещества или при встрече с затвором. Едва затвор немного приоткроется, множество микролавин, родившихся непосредственно перед этим и летящих в подходящем направлении, положат начало процессу самовозбуждения, хотя вначале их интенсивность может различаться в десятки раз.
Эксперимент дал неожиданный результат: гигантский импульс не является гладким, как казалось ранее. Он сложен из совокупности еще более коротких импульсов! Что это?! Движение по кругу? Ножка, подставленная светом ученым, которые так долго, так упорно стремятся покорить его?
Ведь еще Хеллворс дисциплинировал пресловутые пички и объединил их в монолитный мощный импульс. И внимание ученых было сосредоточено лишь на проблеме увеличения его мощности. И вот они добились огромных успехов. Они повысили мощность, и, казалось, закончился один из самых трудоемких этапов работы. И что же? Начинать сначала? Они пришли в ту самую точку, откуда начали трудное движение?
Множество применений лазеров требует все большей концентрации энергии в пространстве и во времени. Однако в природе существует целый ряд запретов, близких к знаменитому соотношению неопределенностей, обнаруженному одним из создателей квантовой механики, Гейзенбергом. Такой запрет ограничивает и возможность пространственной концентрации – фокусировки света лазера в пятнышко, размеры которого существенно меньше длины излучаемой волны.
Но в первом рубиновом лазере концентрация энергии во времени была еще очень далека от предела. Этот лазер, как, впрочем, и большинство современных импульсных лазеров, испускал серию хаотически следующих один за другим импульсов длительностью около миллионной доли секунды каждый. Вспышка лазера содержала сотни таких отдельных пичков и длилась примерно тысячную долю секунды. Многие пытались понять, почему генерация лазера не развивается непрерывно, а быстро обрывается, чтобы начаться вновь в виде очередного пичка. Ничего подобного не наблюдалось ни в ламповых генераторах, ни даже в квантовых генераторах радиодиапазона – мазерах. Было опубликовано несколько теорий, каждая из которых убедительно объясняла причину возникновения пичков, но все причины... были различными. Тем не менее, все теории достаточно убедительно подтверждаются опытом.
Постепенно выяснилось, что главная причина – в размерах резонатора. Резонатор лазера обычно во много миллионов раз больше длины световой волны. Поэтому структура электромагнитного поля в нм много сложнее, чем в резонаторе мазера, в котором укладывается самое большее несколько волн.
В резонаторе лазера может возникать много различных типов колебаний. Они не равноправны между собой. Для некоторых добротность резонатора больше, и они возбуждаются легче, чем другие. Неравноправие возникает и из-за присутствия внутри резонатора активного вещества – рубина, стекла и т. п., – а также вследствие неравномерного поступления света ламп накачки в толщу активного вещества.
В результате различные типы колебаний начинают и кончают процесс генерации почти независимо от других, а затем через некоторое время в них вновь возникает пичок генерации. Энергия отдельного пичка невелика, ибо в его образовании участвует лишь малая доля активных частиц, возбуждаемых лампой накачки.
Способ концентрировать энергию лазера во времени, объединить большинство активных частиц для генерации одного импульса излучения и таким образом увеличить мощность лазера был найден Хеллворсом. Он предложил для этого управлять резонатором лазера. Открывать при помощи быстродействующего затвора одно из зеркал резонатора, которое в начальный момент закрыто этим затвором.
В результате накачка активных частиц длится дольше, чем при открытом зеркале. Ведь без системы двух зеркал нет резонатора и невозможна генерация. К моменту открытия затвора в резонаторе накапливается много больше активных частиц, чем в обычном лазере. Лавина генерации развивается очень быстро и интенсивно, и излучение лазера собирается в один гигантский импульс длительностью в несколько сотых частей от миллионной доли секунды. Несмотря на то что энергия этого импульса обычно в несколько раз меньше энергии вспышки обычного лазера, состоящей из множества пичков, мощность его в сотни тысяч раз больше. Ведь мощность характеризует среднее значение энергии, выделяемой за единицу времени, так что, если время сокращается, мощность растет. Поэтому мощность, развиваемая порохом при ружейном выстреле, соизмерима с мощностью огромной турбины. Но заряд патрона, способный с большой скоростью вытолкнуть пулю, не может совершить и малой доли работы, выполняемой неутомимой турбиной. Гигантская мощность импульсов лазеров с управляемым резонатором позволяет решать множество сложнейших задач науки и техники. Однако существуют и такие случаи, когда достигнутая мощность недостаточна. Известны и такие ситуации, при которых важна не столько мощность, сколько энергия лазерной вспышки.
Наиболее прямой способ наращивания энергии лазера за счет увеличения размеров активного элемента, оправдавший себя в лазерах, работавших в обычном режиме свободной генерации с его хаотическими пичками, не давал результатов при переходе к гигантскому импульсу. Исследования показали, что для главных лазерных материалов – рубина и неодимового стекла – это не случайность. Причиной неудачи являются те же особенности этих материалов, которые обеспечивают их выдающиеся достоинства с точки зрения обычных лазеров.
Неодимовое стекло и рубин способны запасать в каждом своем кубическом сантиметре сравнительно большие порции энергии. А свойства ионов неодима и хрома таковы, что усиление света в них при прохождении каждого сантиметра длины весьма велико. Благодаря большому коэффициенту усиления лазеры на этих веществах легко возбуждаются даже при сравнительно плохих зеркалах. Если активные элементы достаточно длинны, то одно из зеркал резонатора может совершенно отсутствовать. Его с успехом заменяет отражение света от торца активного элемента.
Ясно, что в этом случае режим гигантского импульса совершенно неосуществим. Генерация начнется при закрытом затворе, несмотря на малую добротность резонатора, образованного одним зеркалом и торцом активного элемента. Инженеры спасли дело, сошлифовав торец под углом к оси резонатора. Генерация с участием торца стала невозможной, и управление резонатором при помощи затвора, помещенного перед вторым зеркалом, осуществилось без помех.
Но измерения показали, что по мере удлинения активного элемента неукоснительно возрастали и потери энергии в режиме гигантского импульса по сравнению с энергией свободной генерации. И устранить это в рубине и неодимовом стекле не удалось. При высоких уровнях возбуждения, создаваемых накачкой при закрытом затворе, в них возникают чрезвычайно-большие коэффициенты усиления. Столь большие, что фотоны, случайно вылетающие вдоль оси активного элемента, вызывают в нем вынужденное испускание массы фотонов, уносящих значительную часть энергии, поступающей в активный элемент от ламп накачки. Этим ограничивается возможность накопления в активном элементе больших запасов энергии, а следовательно, и возможность увеличения энергии гигантского импульса.
Так природа выдвинула перед учеными и инженерами непреодолимое препятствие. Возможности метода управляемого резонатора оказались исчерпанными. Требовалось что-то новое. Новые активные материалы для того, чтобы достичь больших энергии известным методом, или новые методы, позволяющие достичь того же с применением известных материалов. Первый путь еще не реализован, но некоторые из ученых считают, что они добьются своего. Второй путь уже позволил увеличить энергию гигантских импульсов в несколько раз и одновременно привел к совершенно неожиданным результатам.
Все казалось очень простым. Если возможности генераторов гигантских импульсов исчерпаны, нужно пропустить излучаемые ими импульсы через усилитель. Ясно, что так можно достичь увеличения энергии. Но когда энергия импульса, попадающего на вход усилителя, очень велика, следует ожидать и дополнительного эффекта. Здесь не было ничего нового. Еще при исследовании одного из типов квантовых усилителей радиодиапазона – мазера с бегущей волной – было установлено, что при больших входных сигналах форма усиленного импульса искажается.
В радиодиапазоне, где сигналы используются для передачи информации, всякое искажение в процессе усиления, конечно, вредно. Чтобы бороться с искажениями, радисты изучили причину их возникновения. И установили, что по мере распространения импульса сквозь усиливающую среду сигнал, заключенный в его передней части, особенно на фронте импульса, все больше усиливается, отбирая энергию от активных частиц вещества.
Если сигнал был очень силен еще до усиления, то передний фронт импульса забирает практически всю энергию, запасенную в веществе. На долю последующих частей ничего не остается. Они не только не усиливаются, но оказываются ослабленными, ибо, отдав свою энергию фронту импульса, вещество стремится приобрести его вновь за счет электромагнитного поля, образующего остальные части импульса. В результате, продвигаясь по активному веществу, фронт импульса быстро усиливается, становясь все более крутым, а его хвост заметно ослабляется. Ясно, что при этом одновременно с увеличением интенсивности импульса он неизбежно сокращается во времени. Мощность импульса растет одновременно за счет двух причин – в результате увеличения его энергии и по мере ее концентрации во времени.
Но радиоинженеры не могли использовать устройство, в котором усиление сигнала сопровождается такими искажениями. Вывод? Подобная ситуация возникала перед кочевниками-скотоводами при перегоне больших стад. Передние гурты поглощают всю траву и набирают вес, не оставляя ничего для последующих, которые постепенно тощают. Избежать этого можно, лишь направляя гурты параллельными тропами или поочередно, с интервалами, достаточными для восстановления травостоя. Примерно так поступили и радиоспециалисты. Но подробности их работы нас сейчас не интересуют.
Специалисты в области лазеров, стремившиеся к увеличению энергии и мощности импульсов света и не думавшие в то время о неискаженной информации, рассчитывали, что все особенности квантовых усилителей, приводящие к трудностям в радиодиапазоне, пойдут им на пользу. Соответствующие качественные рассуждения были проведены еще в 1962 году Гейзиком и Сковиллом в США, но их работа, как это часто бывает, опередила время и не вызвала большого интереса.
В том же году Басов с сотрудниками и еще через год Ривлин со своими сотрудниками, а за границей Е. Стилл и В. Дэвис направили гигантский импульс своих лазеров в лазерный усилитель, и... их ожидания не оправдались. Существенного сокращения длительности импульса за счет искажения его формы при усилении не получила ни одна из трех групп!
Через год упорной работы Басов с Летоховым опубликовали объяснение причин неудачи и способ достижения поставленной цели. В их статье содержалось и вызвавшее столько волнений среди любителей сенсаций указание, что гребень импульса должен при известных условиях бежать быстрее света.
Сейчас каждый школьник знает, что скорость света – высший предел скорости. Парадоксы, связанные с этим фундаментальным законом, встречаются все реже. И вот, солидные ученые предсказывают сверхсветовую скорость. А затем вместе с другими сотрудниками лаборатории квантовой радиофизики они получают как сверхсветовую скорость движения гребня импульса, так и дальнейшее сокращение длительности гигантского импульса.
Теория Басова и Летохова учитывает немаловажную деталь, которая выпадала из поля зрения предыдущих теорий: как ни быстро развивается генерация гигантского импульса, он не возникает мгновенно. На экране скоростного осциллографа можно видеть, что передний фронт гигантского импульса совсем не напоминает ступеньку, а плавно нарастает, причем медленнее, чем время, в течение которого протекают важнейшие процессы в усиливающей среде. В результате отдельные активные частицы взаимодействуют с усиливаемым импульсом не когерентно – независимо одна от другой.
Преимущественное усиление пологой головной части импульса приводит к постепенному перемещению гребня импульса вперед по переднему фронту так, что максимум импульса не бежит вместе с гребнем какой-либо определенной волны, а постоянно передается от задней волны к передней. Нечто подобное можно было бы увидеть, если бы колонна демонстрантов, не прекращая движения, передавала бы транспарант от задних рядов в передние. Здесь нет ничего противоречащего законам природы, в частности – невозможности перемещения материальных тел со скоростями, превышающими скорость света. В этом опыте со сверхсветовой скоростью движется не какое-либо тело или порция энергии, а лишь зона, в которой наиболее интенсивно происходит превращение энергии, запасенной в активных частях, в другую форму, в форму фотонов световой волны. Теория Басова и Летохова не только предсказала возможность движения гребня гигантского импульса со скоростью, в несколько раз превышающей скорость света, но и объяснила, почему при этом не происходит сокращения длительности импульса.
Причиной является именно то, что гигантский импульс возникает не скачком, а развивается хоть и быстро, но постепенно от очень малых энергий. Слабые участки переднего фронта, простирающиеся далеко впереди его гребня, эффективно усиливаются, пробегая по наиболее «богатым», еще не затронутым главной частью импульса, частям усилителя. Будучи слабыми, они усиливаются без искажения, так что перед наблюдателем возникают все новые и новые участки переднего фронта, первоначально замаскированные шумами. В результате импульс возрастает, лишь незначительно деформируясь, как морская волна, приближающаяся к берегу по мелководью. Морская волна опрокидывается, набегая на берег. Можно заметить, как перед опрокидыванием ее передний фронт становится все более крутым. Гребень настигает его. Катастрофа возникает именно потому, что первыми выбегают на берег и разрушаются самые слабые передние волны. Нечто подобное необходимо и для сжатия лазерного импульса. Басов и Летохов установили, что для сжатия импульса в процессе усиления нужно отсечь слабые участки его переднего фронта, чтобы они не истощали активного вещества перед приходом гребня. Нужно с самого начала придать переднему фронту импульса форму, напоминающую ступеньку. Тогда именно передняя часть ступеньки будет отсасывать всю энергию, запасенную в усилителе. Гребень будет расти, последующие части импульса – ослабевать, как это предсказывал еще Сковелл, и сокращение импульса станет реальностью.
Для проверки теории Басов с сотрудниками установили между усилителем и лазером, дающим гигантский импульс, дополнительный затвор. Специальная схема чрезвычайно быстро открывала его только после того, как гигантский импульс достигал своего максимума. Поэтому перед гребнем гигантского импульса в усилитель не поступало никакого света. Зато гребень гигантского импульса имел возможность извлекать из активного материала всю запасенную в нем энергию. Затвор действовал так быстро, что передний фронт импульса на входе усилителя напоминал крутую ступень. И действительно, вся энергия, скопленная в усилителе, выплескивалась на гребень импульса. Измерения показали, что длительность импульса на выходе усилителя уменьшалась в несколько раз. Только за счет сокращения настолько же возрастала и мощность импульса. В действительности мощность увеличивалась еще быстрее, ибо импульс сильно возрастал за счет энергии усилителя.
Теперь во всех лабораториях, имеющих дело с гигантскими импульсами лазеров, сочетающих большую мощность с большой энергией, между лазером и усилителем включают дополнительный затвор, придающий переднему фронту импульса форму ступеньки. Об опытах со сверхсветовым движением лазерных импульсов теперь можно прочитать лишь в старых журналах и в учебниках по квантовой электронике. Такова судьба многих парадоксов. Они стимулируют ум, обостряют внимание и интерес и, сыграв свою роль, попадают в основные фонды прогресса, в тот отдел, где столь же почетное место занимают прялка и каменный топор. А менее эффектные результаты зачастую продолжают и в наши дни служить человеку. Так случилось и с этой работой советских ученых, для которых одинаково важны и фундаментальные исследования, и практические результаты.
Формулы умнее человека. Это сказал Генрих Герц, открывший электромагнитные волны, существование которых было предсказано в конце прошлого века Кларком Максвеллом. Герц имел в виду знаменитые уравнения Максвелла, в которых содержатся не только законы поведения электромагнитных волн, но и разгадка многих неизвестных в то время явлений.
О метрологии можно сказать, что она предусмотрительнее человека. Метрология заготовила впрок возможность измерения чрезвычайно больших и крайне малых величин и даже построила для них систему наименований задолго до того, когда техника нашла способы их достижения. В самом деле, понадобилось для радиолокации название импульсов длительностью в миллионную долю секунды – пожалуйста. В реестрах метрологов предусмотрена специальная единица – микросекунда. Хотя до этого люди редко имели дело даже с длительностями, меньшими тысячной доли секунды, – миллисекундами. Появились лазеры, дающие очень короткие импульсы света, и наготове еще более мелкая единица – наносекунда – для измерения миллиардных долей секунды. Но и этого оказалось недостаточно. Сейчас идет борьба за получение и измерение еще в тысячу раз более коротких – пикосекундных импульсов. Впрочем, физики уверяют, что длительность жизни некоторых из все размножающегося семейства элементарных частиц должна быть еще более короткой. Но это лежит за пределами нашей темы. Здесь же речь пойдет о рождении пикосекундных импульсов света.
Для любителей математики можно добавить, что десятеричная система чисел позволяет очень просто, наглядно и компактно записывать такие невообразимо малые величины. Для этого вместо длинного ряда нулей достаточно написать десятку и возвести ее в отрицательную степень, показывающую то место после запятой, где стоит первая отличная от нуля цифра. Например, вместо одной десятой можно писать 10–1 , вместо одной тысячной – 10–3 (здесь единичка стоит на третьем месте справа от запятой: 0,001). В соответствии с этой записью миллионная доля (микро) – это 10–6, миллиардная доля (нано) – 10–9, а интересующая нас сейчас пикосекунда – 10–12 секунды.
Первый лазер, созданный в 1960 году Мейманом, генерировал вспышки света длительностью около миллисекунды. И они состояли из хаотической последовательности микросекундных пичков. Уже в следующем году Хеллворс изобрел лазер, в котором специальный затвор быстро изменял добротность резонатора от очень малой до весьма большой величины. Лазер генерировал гигантские одиночные импульсы длительностью в несколько десятков наносекунд.
Дальнейший путь уменьшения длительности импульсов оказался неожиданно трудным. Несколько групп ученых, следуя умозрительным, лишь качественным, а не количественным рассуждениям Гейзика и Сковелла, безуспешно пытались укоротить гигантские импульсы, пропуская их через оптический усилитель.
Лишь сложное теоретическое исследование, проведенное Басовым и Летоховым, позволило понять причину неудач и найти выход из тупика. Но этот путь не привел к существенному продвижению. Конечно, укорочение гигантского импульса до двух-трех наносекунд с одновременным усилением их энергии позволило проникнуть дальше в глубь тайников природы. Но ученые жаждали радикальных результатов.
Голландский ученый Ван дер Поль, сделавший существенный вклад в нелинейную теорию колебаний на первых этапах ее развития, обнаружил удивительную аналогию между работой сердца и лампового генератора электрических колебаний. Впоследствии удалось создать удобные радиотехнические модели для исследования работы сердца, почек, легких и других органов человеческого тела. Методы нелинейной теории колебаний теперь широко применяются в биологии и химии, астрофизике и сейсмологии, в инженерных науках и в экономических исследованиях.
Лазеры возникли благодаря проникновению методов нелинейной теории колебаний в оптический диапазон
В большинстве случаев активное вещество лазера не участвует в его работе как единое целое. Обычно различные части рабочего объема начинают генерацию не одновременно и даже на нескольких различных частотах. Причина лежит в том, что резонатор лазера очень велик по сравнению с длиной световых волн. Поэтому в нем может возникнуть и обычно возникает множество различных и независимых типов колебаний.
Нечто подобное можно наблюдать на струне скрипки или мандолины, на которой, кроме основного тона, легко возбудить и обертоны. Музыканты редко пользуются такой возможностью. Но радиоинженеры прибегают к ней во многих случаях, когда им нужно создавать короткие электрические импульсы, например в радиолокации или телевидении. Для этой цели придуманы специальные схемы. Наиболее известны среди них мультивибраторы и блокинг-генераторы, в которых одновременно возбуждается множество колебаний, складывающихся друг с другом так, что они образуют серию коротких импульсов или острые одиночные всплески напряжения, по команде которых на экране возникают причудливые картинки или срывается с места стремительная ракета.
В отличие от таких ламповых генераторов в лазерах царствует полный хаос. Неизбежные неоднородности в кристаллах, стеклах и даже в газах, служащих активным веществом в лазерах; невозможность обеспечить совершенно однородное возбуждение по всему объему лазера; большое число типов колебаний, возникающих в резонаторе лазера, – все это приводит к тому, что большинство типов колебаний обычно возбуждается независимо от других. Глядя, конечно через защитные очки, на яркое пятно света, образуемое лучом газового лазера, мы в первый момент видим нечто подобное солнечному зайчику. Но, присмотревшись внимательно, замечаем, что яркое пятно состоит из отдельных хаотических переливающихся зернышек, разделенных менее яркими полосками. Очень похоже на поверхность Солнца, наблюдаемую через телескоп. Там тоже заметно множество ярких точек на менее светлом фоне.
Конечно, физики понимали, что причины, приводящие к возникновению солнечных гранул и ярких точек в луче газового лазера, различны. Общее в них лишь одно – существенная роль случайности в распределении температуры по поверхности Солнца и в развитии генерации в активном элементе лазера.
Те же явления возникали и в твердотельных лазерах, работающих в импульсном режиме. И в них случайное и независимое возбуждение отдельных типов колебаний приводит к возникновению хаотических пичков генерации. Экспериментаторы и теоретики объединились в анализе этой противоречивой работы лазеров.
Теория колебаний подсказывала: лазер отличается от лампового генератора только, длиной генерируемой волны и некоторыми техническими деталями; они основаны на единых принципах. Значит, можно заставить различные типы колебаний возникать в лазерах так же согласованно, как, например, в мультивибраторе. В таком случае лазер будет давать регулярную последовательность коротких импульсов.
Применяли они привычный для радиоспециалистов прием: меняли в резонаторе условия существования электромагнитных волн. Но простой прием приводил к непростым результатам. Если при этом частота изменения потерь совпадала с частотным интервалом между простейшими типами колебаний резонатора, типы оказывались связанными.
Теория колебаний не подвела. Лазер, который в режиме свободной генерации давал миллисекундные импульсы, состоящие из множества пичков, превратился в генератор наносекундных импульсов. Если в результате внешнего воздействия достигалась связь между двадцатью типами колебаний, длительность импульсов составляла всего половину наносекунды. Это в пять-десять раз короче, чем в лазерах с вращающейся призмой!
Рекорд, сенсация! Он дал новый толчок поискам и усилиям. Путь оказался очень заманчивым, простым, легко выполнимым. И давал быстрые и ощутимые результаты. Надо было только овладеть способностью чувствовать особенность материалов лазеров. Какие из них на что способны. Что из них можно выжать. Насколько они гибки в способности лепить нужные физикам импульсы света. Некоторые ученые даже обнаружили в себе своеобразное чутье, интуицию в подборе нужных для новой цели лазерных материалов.
И вот половина наносекунды – этот недолгий рекорд вновь побежден.
Еще в десять раз более коротких импульсов добился американский ученый М. Ди Доменико с сотрудниками. Они периодически управляли потерями в лазере на совсем новом в то время материале – кристалле иттрий-алюминиевого граната. Но дальше дело не пошло. Прямой путь на этот раз кончился тупиком. Выход из него могло дать лишь озарение или тщательное изучение причины неудач.
Дальнейший скачок совершил также американский физик Де Мария с сотрудниками. Скачок, который измерялся тысячами единиц удачи, а не десятками или сотнями, как то бывает при движении по традиционному пути. За Де Марией быстро последовали группы Басова и Прохорова. Теперь новый источник пикосекундных импульсов получил широкое применение, стал повседневностью в обиходе этого круга ученых, стал необходимой обычностью.
Все казалось очень простым в первом опыте Де Марии. Можно сказать, что он не сделал ничего нового. Лишь более подробно изучил то, что получали раньше и он и другие. Получали, не зная, что находится у них в руках.
Де Мария и его сотрудники применяли для управления добротностью лазера насыщающийся поглотитель. То же делали и другие. Все было очень просто. Внутри резонатора лазера помещался тоненький сосудик, заполненный раствором специального красителя. Плохого красителя, с точки зрения любого разумного человека. Этот краситель никуда не годится для обычного применения, он быстро обесцвечивается под действием света. Становится прозрачным. Но почему-то именно такой краситель физики вымаливали у химиков.
Сосудик с красителем заслонял одно из зеркал резонатора. Несмотря на то что лампа-вспышка накачивала активное вещество, генерация не могла начаться. Ведь при закрытом зеркале отсутствовала обратная связь, необходимая для возникновения генерации. Но по мере повышения уровня возбуждения активный стержень начинал светиться все ярче и ярче. Его усиливающая способность становилась столь большой, что фотоны, летящие вдоль его оси, были способны увлечь за собой сотни таких же фотонов. Наконец их становилось так много, что под их действием краситель начинал выцветать. И часть фотонов устремлялась ко второму зеркалу и потом обратно. Так возникала обратная связь, приводящая к возникновению генерации. К лавинообразному возрастанию числа фотонов, летящих вдоль оси резонатора. Из лазера в определенный момент вылетал гигантский импульс излучения. В нем как бы сосредоточивалась вся та энергия фотонов, которая накапливалась до того, как краситель выцвел и дал лавине фотонов прорваться к зеркалу. Это не было новостью в 1966 году. Но лишь Де Мария и его сотрудники обнаружили, что в отличие от гигантских импульсов, получаемых при помощи вращающейся призмы или электрооптического затвора, новый импульс состоял из регулярной последовательности удивительно коротких импульсов.
Измерения показали, что эти импульсы возникают точно через интервалы, нужные свету для того, чтобы пройти от полупрозрачного зеркала через активное вещество к глухому зеркалу и обратно. Длительность каждого из них составляла несколько пикосекунд, несколько единиц, умноженных на 10–12 секунды! Всем было ясно, что явление, обнаруженное в этих опытах, возникает потому, что отдельные типы колебаний, излучение которых участвует в просветлении красителя, оказываются связанными между собой. Связь возникает вследствие их совместного взаимодействия с красителем. Это самофазировка, – определяют явление физики, – и она отличается от принудительной фазировки, получающейся в результате периодического изменения потерь резонатора, применявшегося ранее для получения коротких импульсов.
Единственным огорчением Де Марии было то, что полученные им импульсы имели малую энергию. И тем не менее, несмотря на малую энергию каждого отдельного импульса, в опыте Де Марии она составляла лишь сотые или даже тысячные доли джоуля, малая длительность обеспечивала огромные мгновенные мощности, достигавшие миллиардов ватт.
Пропустив эти импульсы через лазерный усилитель, Де Мария еще больше увеличил их мощность. А вскоре Басов с сотрудниками достигли таким путем рекордной мощности в тысячу киловатт. Один из любителей обобщений пришел к выводу, что после создания лазеров в 1960 году мощность генерируемых ими импульсов света возрастала ежегодно примерно в десять раз! Сколь долго будет продолжаться этот рост?
Лазер, дающий ультракороткие сверхмощные импульсы света, этот феномен современной физики, стал объектом детального экспериментального и теоретического исследования во многих лабораториях. Он был загадкой и в теоретическом отношении, и в отношении тех возможностей, которые таились в его сдерживаемой мощи, выбрасываемой внезапно, как яд жалящей змеи.
В течение двух лет после того, как Де Мария открыл явление образования пикосекундных импульсов и выявил его основные черты, постепенно сформировалась и стала общепринятой весьма наглядная точка зрения на процесс образования этих импульсов.
Считалось, что в результате взаимодействия нескольких простейших типов колебаний лазера при участии просветляющегося красителя образуется импульс света длительностью в несколько наносекунд. Такой процесс был хорошо изучен для случая периодического изменения потерь, с которым мы уже знакомы. Казалось ясным, что дальнейшее сжатие этого импульса до пикосекундной длительности осуществляется в результате многократного прохождения импульса через краситель.
Однако эта простая и наглядная точка зрения встречалась с рядом трудностей. Летохов при помощи тщательных расчетов показал, что общепринятая точка зрения на механизм сжатия наносекундных импульсов недостоверна. Таким путем его длительность может уменьшаться лишь в 10...20 раз, а не в тысячи раз, как это наблюдается в действительности. Если общепризнанный механизм не способен превратить наносекундные импульсы в пикосекундные, нужно искать дальше. Следует еще раз проанализировать все детали опыта, особенно те, которые не вошли в общепринятую теорию, но влияют на результат.
Теоретик, который активно участвует в интересующих его экспериментах, – это большая удача для лаборатории. То, что большинство экспериментаторов считает само собой разумеющимся, не заслуживающим внимания, а тем более упоминания в докладе и статье, вызывает у Летохова особый интерес. Так у него возникает очередная догадка, очередной вопрос. Вопрос, который не может возникнуть у самого гениального теоретика, если он судит об эксперименте лишь по публикациям, в которые из-за недостатка места многие подробности не попадают.
Экспериментаторы знали, что любое лишнее препятствие, приводящее к отражению света внутри резонатора в направлении его оси, ухудшает условия образования пикосекундных импульсов. Знали – и устраняли все, что может им помешать. И не задумывались над тем, почему вредны именно отражения, а не поглощения света, не потери энергии. Так поступают многие. И не по лености ума. Нет, все их силы направлены на достижение цели. Они способны для этого преодолеть любые препятствия. Им просто некогда отвлечься от решения очередной задачи, от преодоления очередной каверзы матушки-природы. И что им до того, что лишняя отражающая поверхность внутри резонатора вместе с его зеркалами образует оптический фильтр, обрезающий и подавляющий многие простейшие типы колебаний. Выбрасывающий их из игры. Выбрасывающий! А они нужны для образования пикосекундных импульсов! Ведь не из прихоти экспериментаторы борются с лишними отражениями. Суровая необходимость заставляет их устранять все, что может играть роль фильтра, фильтра, уменьшающего количество типов колебаний, одновременно участвующих в работе лазера. В чем же их роль?
Итак, не упускают ли экспериментаторы, борющиеся с отражениями, чего-то весьма существенного? Может быть, они, подобно герою Мольера, не знают о том, что говорят прозой!
Нужно вернуться обратно. К азам. Заново продумать процесс генерации лазера... Все в нем очень просто. Вспышка лампы накачки возбуждает активное вещество. Многочисленные типы колебаний резонатора независимо обеспечивают замыкание соответствующих каналов обратной связи. И в резонаторе возникают многочисленные независимые лазеры, каждый из которых, то вспыхивая, то затухая, излучает свои пички света, хаотически складывающиеся в то, что мы воспринимаем как лазерный импульс.
Хаос... Он не подвластен ни механике Ньютона, ни уравнениям Максвелла, ни теории относительности.
При случайном наложении множества простейших типов колебаний в лазере возникают короткие всплески излучения со случайными длительностями и случайными амплитудами. Если в этом участвует десять-двадцать простейших типов колебаний, всплески не могут быть короче нескольких наносекунд. Но когда в игре случайностей участвуют сотни колебаний, могут родиться пикосекундные импульсы. Причем их амплитуды будут заметно больше остальных.
Вот решение загадки! Тщательно устранив все отражения, используя хорошие активные элементы, можно обеспечить рождение сотен типов колебаний. Образуемые ими по воле случая пикосекундные импульсы скорее других прожигают путь через кювету с красителем, вызывают лавину генерации и, постепенно усиливаясь и укорачиваясь, раз за разом пробегают по резонатору, выплескиваясь через полупрозрачное зеркало в виде регулярной цепочки сверхкоротких импульсов.
Эксперимент, подтвердил, что сверхкороткие импульсы действительно возникают до просветления красителя, а затем происходит их дополнительное сжатие и усиление.
Эта работа всколыхнула и теоретиков и экспериментаторов. Начались повторения опыта, уточнение результатов, соперничество умозаключений.
Вскоре Дж. Флек-младший прямыми численными расчетами подтвердил статистический механизм генерации ультракоротких импульсов. Кажется, все. Еще одна победа. Пора поставить точку и перейти к другой теме. Но время еще не настало. Басов, Летохов и их сотрудники хотят выжать все возможности из раскрытия тайны формирования сверхкоротких импульсов. Они увидели две новые возможности.
Вот первая. Она основана на весьма простом соображении. Лазер, который генерирует пикосекундные импульсы благодаря применению просветляющегося красителя, не вполне подвластен человеку. Действительно, момент просветления наступает по воле случая в результате сложной комбинации неуправляемых процессов. Все зависит от того, как развивается электрический разряд в лампе-вспышке, как накапливается энергия в активном элементе, как складываются между собой многочисленные типы колебаний, наконец, как проходит процесс обесцвечивания красителя.
Нужно подчинить себе главные этапы процесса. Подавить влияние случайности. Пусть раствор красителя будет столь концентрирован, чтобы самый интенсивный из импульсов, возникающих поводе случая в активном элементе, не мог его просветлить. Тогда, несмотря на действие лампы накачки, генерация не начнется.
Это лишь первый шаг. Теперь во время вспышки лампы накачки направим в активное вещество короткий импульс от вспомогательного лазера, достаточно интенсивный для прожигания красителя. Импульс откроет путь лавине фотонов, и она, раз за разом проходя через активное вещество, освободит всю запасенную в нем энергию, превратив ее в последовательность из нескольких мощных сверхкоротких импульсов.
Басов и его сотрудники построили такой лазер. Он состоял из, двух частей – лазера, дающего пикосекундные импульсы с энергией от 10–3 до 10–2 джоуля, и затвора, пропускающего во вторую часть установки только один из этих импульсов. Вторая часть представляла собой, по существу, лазерный усилитель бегущей волны. Его активный элемент располагался в одной из сторон треугольника, образованного тремя зеркалами. Рядом с ним помещалась и кювета с раствором красителя, достаточно концентрированным для того, чтобы полностью исключить возможность самовозбуждения усилительного каскада.
Но как только сверхкороткий импульс, поступавший из первой части установки, просветлял краситель, он, этот маломощный импульс, пять-семь раз обегал треугольник, образованный зеркалами, и выкачивал из активного элемента всю запасенную в нем энергию. Измерения показали, что полная энергия цуга из полученных таким образом пяти или семи сверхкоротких импульсов составляла 18 джоулей. А величина энергии импульса при этом увеличивалась в несколько сот раз!
Установка оказалась рекордной для своего времени. Но в запасе у фиановских физиков есть еще пока не реализованные возможности.
Из формул Френеля следовало, что за непрозрачным экраном область тени не появляется внезапно. Как бы набираясь сил, она возникает тонкими полосками, повторяющими контуры экрана и перемежающимися со все более слабеющими линиями света. Все знали, что это предсказание противоречит очевидным фактам. Более того, этот опальный инженер, изгнанный со службы во время наполеоновских Ста дней, этот физик-самоучка, по существу, предсказывал, что за отверстием в непрозрачном экране свет должен перемежаться с темнотой. Такого никто никогда не видел, и все были уверены, что так не может быть.
Что будет, если луч лазера попадет в прозрачную для него среду? Природа среды неважна, существенна прозрачность. Не должно быть потерь энергии.
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.
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!
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 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.
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.
По мнению , 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.
В 1963 году в 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 В.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.
. Американский физик Таунс, один из творцов квантовой электроники и мазера, не применяет слова «лазер», предпочитая ему сочетание «оптический мазер» Статья начиналась так: «Ниже мы рассмотрим условия, при которых электромагнитный луч создает себе диэлектрический волновод и распространяется не дифрагируя». 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.
Келли получил свои главные результаты при помощи численных расчетов. 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. Лишь Хохлов 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.
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.
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?
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.
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.
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 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.
Только Прохоров поддержал своего молодого сотрудника. . 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.
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.
. 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.. 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!
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.
. Наконец, Прохоров с М.Я. Щелевым не только наблюдали движущиеся фокусы, но и измерили их скорость. Она хорошо совпадала с предсказаниями теории.
Казалось, достаточно. Но Прохоров и Луговой не прекратили работы. , они доказали, что не только гигантские импульсы, но и в тысячу раз более короткие импульсы, те, которые принято называть сверхкороткими, тоже образуют движущиеся фокусы.
Подведем итоги. Твердо установлено теоретически и экспериментально, что мощный лазерный импульс, падающий на вещество, в котором возможен эффект Керра, самофокусируется. В результате возникает цепочка фокусов, чрезвычайно быстро движущихся по направлению к лазеру.
А как же тонкие нити? Как самоканализация света и его волноводное распространение, предсказанные Аскарьяном? Что делать с многочисленными теориями маститых авторов? Как относиться ко всем экспериментам, подтвердившим эти теории?
Не мне решать такие проблемы. Ведь факты – упрямая вещь. Но важно и толкование фактов.
Бегущие фокусы стали объективной реальностью. Они существуют, и условия их существования точно установлены.
Ясно и то, что теория волноводного распространения света еще не завершена. Слабые места ее известны.
Наши недостатки лишь продолжение наших достоинств.
Все преимущества лазеров по сравнению с обычными источниками света обязаны тому, что в них неразрывно сочетаются квантовые свойства атомов, ионов или молекул с радиотехническим принципом обратной связи. Такое сочетание обеспечивает излучению лазера высокую упорядоченность в пространстве и во времени – высокую когерентность, говорят для краткости физики. Именно когерентность позволяет направлять все его излучение на маленькие площадки, размеры которых соизмеримы с длиной волны света. В его луче, сжатом до микронных размеров, плотность энергии столь велика, что ни одно из веществ не способно ему противостоять.
Когерентность дает лазерам возможность соперничать по стабильности с лучшими квантовыми стандартами частоты радиодиапазона. Но стабильность, неизменность его частоты, не всегда благо. Спектроскописты, химики, биологи, специалисты многих областей науки и техники мечтали о лазере, частоту которого можно было бы изменять, подобно тому как радист-оператор поворотом рукоятки заставляет свой передатчик работать на наиболее благоприятной частоте.
Многие говорят, что самая интересная часть современной оптики – нелинейная оптика. . Ведь нелинейная оптика стала общедоступной лишь с рождением лазеров, в то время как обычной линейной оптике не менее трехсот, а может быть, и более двух тысяч лет.
В долазерную эру оптики имели дело лишь с крайне слабыми полями, и для наблюдения нелинейных явлений приходилось создавать очень чувствительную аппаратуру.
С появлением лазеров, особенно лазеров с управляемой добротностью резонатора, дающих гигантские импульсы света мощностью в миллиарды ватт, нелинейные явления приобретают большое, иногда решающее значение не только для физики, но и для технических применений.
Представим себе, например, график движения поезда, идущего с постоянной скоростью. Изображая путь, пройденный им за какое-нибудь время, мы получим прямую линию. Опуская слово «прямая», физик говорит о «линейном законе движения», имея в виду, что пройденный путь пропорционален времени. Если же график изображает путь, пройденный свободно падающим камнем, то мы увидим на нем не прямую, а изогнутую линию. Не вдаваясь в подробности, не уточняя истинной формы этой кривой, физик говорит, что она не прямолинейна. Для краткости он говорит: она нелинейна. Это значит, что путь, пройденный падающим камнем, не пропорционален времени, он связан со временем нелинейной зависимостью.
В воздухе, стекле, воде, в большинстве известных сред путь, пройденный светом, пропорционален времени. Значит, скорость света в таких средах постоянна. Для большинства веществ это верно при всех достижимых интенсивностях света, даже для лучей оптических квантовых генераторов. Но есть небольшое количество кристаллов, в которых скорость света меняется в зависимости от его силы. Более того, эта зависимость изменяется, если меняется направление света по отношению к ребрам кристалла и его граням. Такой закон распространения света естественно назвать нелинейным. Иногда слово «нелинейный» относят к самому кристаллу, имея в виду, что закон распространения света в кристалле отличен от линейного.
В радиотехнике давно применяют нелинейные зависимости тока от напряжения, наблюдающиеся в радиолампах и полупроводниковых приборах. Их используют, например, для умножения частоты. Это значит, что, имея ламповый генератор какой-то определенной частоты, можно, не меняя ничего в генераторе, получить колебания вдвое, или втрое, или даже вдесятеро большей частоты.
Естественно, что после создания оптических квантовых генераторов физики решили получить нечто подобное и в оптике. Ведь до сих пор мощные квантовые генераторы работают только на двух длинах волн – квантовые генераторы с ионами неодима дают инфракрасные волны длиной около одного микрона, и рубиновые генераторы с ионами хрома излучают красный свет длиной около 0,69 микрона. Между тем, удвоив частоту неодимового генератора, то есть уменьшив его волну вдвое – до 0,5 микрона, можно получить зеленый свет. А утроить его частоту – значит получить ультрафиолетовые лучи длиной в 0,33 микрона. И не какие-нибудь лучи, а почти идеальные! Лазер рождает лазер!
Аналогичный результат дает умножение частоты рубинового генератора. Его вторая гармоника попадает в фиолетовую часть спектра, а третья дает жесткие ультрафиолетовые лучи.
Пропуская луч квантового генератора через специально выращенные кристаллы, Франкен и его сотрудники первыми смогли зарегистрировать появление излучения удвоенной частоты. Однако коэффициент преобразования был очень мал. Лишь ничтожная доля энергии падающей волны превращалась в энергию волны удвоенной частоты. Хохлов и его сотрудники глубоко проанализировали новое явление и поняли, что причина лежит в различии скоростей обеих волн. В результате, действия различных участков кристалла не складываются, а даже частично уничтожаются. Но уравнения подсказали Хохлову выход из положения. Оказывается, в кристалле можно найти направления, в которых падающая волна и волна с умноженной частотой бегут с такими скоростями, при которых все точки работают согласованно и результаты их действия складываются. При этом большая часть энергии падающей волны превращается в энергию волны с умноженной частотой. Так были созданы весьма эффективные оптические генераторы гармоник.
На деле все было весьма не просто. Радиотехника подсказала только цель. Сколько ни освещай лазером радиолампу, диод или транзистор, световой гармоники не получишь. Конечно, физики и не пытались сделать что-либо столь несуразное.
Нелинейные явления в волновых процессах уже давно встречались акустикам. Теперь они доставляют неприятности каждому из нас громоподобными звуками, возникающими всякий раз, когда самолет преодолевает звуковой барьер. Дело в том, что звук – волна сжатия и разрежения воздуха. Пока звук слаб, он бежит в воздухе без искажения. Только это позволяет нам разговаривать и наслаждаться музыкой. Но если звук слишком силен...
Там где воздух сжат, скорость звука больше, чем в местах разрежения. Поэтому отдельные участки сильной звуковой волны нагоняют другие ее участки. Плавные звуковые волны искажаются. В них возникают крутые фронты, подобные нарастающим отвесным гребням прибоя, все увеличивающимся по мере набегания морских волн на прибрежную отмель. Такие искаженные и все нарастающие фронты звуковых волн, бегущие в воздухе много быстрее, чем обычные звуки, и есть то, чем тревожит нас сверхзвуковая авиация.
Самым важным из всего сказанного было для оптиков то, что самолет, летящий быстрее звука, не возбуждает ударной волны, так же как не появляется она при дозвуковой скорости. Она возникает только, когда скорость самолета близка к скорости звука. Только при таких условиях звук, возбуждаемый летящим самолетом в течение многих периодов звуковой волны, усиливает ее все больше и больше. При этом почти вся энергия двигателей самолета перекачивается в энергию звуковых волн. Двигатели должны иметь большой запас мощности, чтобы оторвать самолет от высасывающих энергию сопутствующих звуковых волн, прорвать звуковой барьер, обогнать жадные волны, уничтожить синхронизм, вследствие которого самолет вынужден тащить на себе массы воздуха, превращающиеся для него в тяжелые путы.
Если бы, не стремясь к скорости, летчик захотел уподобить свой самолет громыхающей колеснице Ильи-пророка, ему пришлось бы лететь точно со скоростью звука.
Именно такую цель ставили перед собой физики: фаза луча лазера должна бежать в веществе точно с той же скоростью, как и фаза порождаемой им волны второй или третьей, а иногда и более высокой гармоники. Здесь приходится применить слово «фаза», для того чтобы не вызвать неудовольствия тех, кто уже привык к этому слову. Те же, кто предпочитает обходиться без него, вполне могут продолжать думать о волне как таковой, имея в виду гребень простой волны, форма которой совпадает с известной каждому школьнику синусоидой.
Задача обеспечения равенства скорости перемещения фаз – фазового синхронизма – осложняется наличием дисперсии, обнаруженной еще Декартом Дисперсия проявляется в том, что во всех реальных средах скорость света зависит от его частоты, а значит, от длины соответствующей волны.
Наличие дисперсии, казалось, делает невозможным эффективное умножение частоты света. Действительно, в обычных прозрачных средах, например в газах, жидкостях и стеклах, скорость света уменьшается при увеличении частоты. Значит, в этих средах фазы двух волн, частоты которых различаются вдвое или втрое, не могут бежать с одинаковой скоростью. А следовательно, синхронизм, необходимый для успешной перекачки энергии падающей волны в энергию гармоники, невозможен. Так в нелинейной оптике при первой попытке ее практического применения возник тупик.
История повторяется, но, к счастью, не всегда применимо знаменитое замечание Маркса о том, что в первый раз это трагедия, во второй – фарс. Ошибка Ньютона была вскрыта замечательным математиком Эйлером, который теоретически вывел возможность исключения хроматической аберрации линз. Ему не удалось воплотить это на практике, но английский оптик Диллонд, затратив несколько лет на упорные поиски, создал сложную линзу, объединявшую в себе две линзы, изготовленные из различных сортов стекла с разными законами дисперсии, и, таким образом, добился того, что искажения в одной из них уничтожают искажения в другой. Так в результате взаимной компенсации получается неискаженное изображение. Теперь объективы всех телескопов, биноклей и подзорных труб делаются именно таким способом.
Сходным путем удалось найти и выход из тупика, в который зашла нелинейная оптика. Американские физики Джордмэйн и Терхьюн обратили внимание на то, что условие синхронизма может быть выполнено в двоякопреломляющих кристаллах. Двойное лучепреломление было, как известно, открыто чуть более трехсот лет назад Эразмом Бартолином. Он обнаружил, что луч света, попадая на поверхность кристалла исландского шпата, раздваивается, причем каждая из его частей преломляется по-разному. Одна из них подчиняется закону преломления, найденному Декартом, а другая – нет.
Бартолин счел, что в кристалле исландского шпата есть поры, которые захватывают второй луч (Бартолин назвал его подвижным) и не дают ему подчиняться закону. Правда, обнаружить эти поры не удавалось, но ведь и другого объяснения тоже не находилось.
Гюйгенс сумел объяснить появление двух волн тем, что в исландском шпате, он называет его исландским кристаллом, существуют две скорости света. И Гюйгенс вынужден ввести гипотезу о том, что в кристалле имеются две различные материи, которые служат «обоим видам преломления». Но Гюйгенс чувствует неполноту своего объяснения и, «оставляя другим исследование этого вопроса», переходит к обсуждению необыкновенной формы кристалла. Только Френель, нашедший в себе смелость признать свет поперечными волнами, смог непротиворечиво объяснить явления поляризации.
Однако вернемся к Терхьюну. Он показал, что в двоякопреломляющих кристаллах условие синхронизма может быть выполнено, если использовать две волны, имеющих различную поляризацию.
Раз наличие синхронизма позволяет применять маломощные источники света, то нельзя ли получить умножение частоты обычных источников света? Логика подсказывает положительный ответ. Но физика приводит к отрицательному.
Дело в том, что точный синхронизм осуществляется лишь вдоль одного фиксированного направления в кристалле. Чуть вбок, и эффект накопления исчезает. А не лазерные источники дают лишь расходящиеся пучки. Мощность, идущая в таких пучках строго вдоль какой-либо прямой, практически равна нулю. Значит, равна нулю и мощность гармоники. Положение ухудшается и тем, что направление синхронизма сильно зависит от частоты света, а обычные источники дают много более широкополосный свет, чем лазеры. В результате энергия, идущая в избранном направлении в кристалле от не лазерного источника, уменьшается еще сильнее.
Умножение частоты излучения лазеров позволяет существенно обогатить палитру когерентного света. Однако так не удается добиться плавной перестройки частоты, плавного изменения цвета лазерного излучения.
Такая возможность была найдена Хохловым и Ахмановым. Они использовали только что упомянутый факт зависимости направления синхронизма в кристалле от частоты и метод параметрической генерации, разработанный для радиодиапазона Мандельштамом и Папалекси на основе нелинейной теории колебаний.
Вещи и явления, привычные с детства, кажутся сами собой разумеющимися. Но мы вступаем в юность, пору сомнений, и к детству вместе с прилагательным «счастливое» присоединяется совсем неприятное – «глупое».
Дети обнаруживают это «нечто», еще не осознав значения слов «наука» и «физика». Они залезают на качели и, ритмично сгибая и распрямляя колени, раскачиваются все сильнее. До тех пор, пока позволяют силы или мужество. Это удается им потому, что дети нетерпеливы, они начинают раскачиваться сразу же, как только им удается забраться на качели. Только один раз я видела горе вихрастой кокетки, которая, вспрыгнув на перекладину, долго дразнила своих маленьких поклонников, а потом никак не могла раскачаться, сколько ни приседала. Она всячески извивалась и даже подпрыгивала, но тщетно. Ей мешал закон Ньютона. И только после того, как ее рыцарь дал ей легкий толчок, дело пошло на лад.
Качели – маятник. Их необходимо толкнуть, иначе они останутся неподвижными. Такова природа. Но когда они уже хоть немного качаются, природа не препятствует желанию маленькой девочки раскачать их сильнее. Стоит лишь уловить ритм и приседать, а затем распрямляться в нужные моменты. Если она приседает, когда качели находятся в высшей точке, и распрямляется, когда они быстро проскакивают через низшее положение, размахи будут увеличиваться. Собьешься с ритма, и волшебное чувство полета исчезнет.
Сгибая и разгибая колени, человек меняет положение центра тяжести, а значит, и длину подвеса. Распрямляясь, он совершает работу против сил тяжести. Расслабляя мышцы, он позволяет силе тяжести согнуть его колени. Когда качели неподвижны, это ничего не дает. Если длина подвеса постоянна, то тоже нет другого способа раскачать качели, как толкать их со стороны.
Иное дело, если качели уже хотя бы немного движутся. Распрямляясь в нижней точке, человек совершает работу не только против силы тяжести, но и против центробежной силы. В верхней точке, когда качели на мгновение остаются неподвижными, центробежная сила исчезает, и его колени сгибает только сила тяжести. Работа человека на движущихся качелях больше, чем на неподвижных.
Теперь ясно, откуда берется энергия, необходимая для раскачивания качелей. Но остался нерешенным главный вопрос. Как они раскачиваются? Ведь сила человека, распрямляющего колени, направлена вертикально, а прирост его скорости в этот момент направлен горизонтально, поперек направления силы.
Но мы уже заметили – у реальных качелей меняется и длина подвеса. То, что было у идеального маятника неизменным параметром, стало для качелей второй степенью свободы. При этом существенно, что в случае качелей обе степени свободы связаны между собой. Они могут обмениваться энергией. Энергия, затрачиваемая человеком на изменение длины подвеса, может превращаться в энергию обычных колебаний качелей. Важно лишь, чтобы человек работал. Если же он будет распрямляться, взлетая вверх, и сгибать колени в низшей точке, то он будет лишь отбирать энергию у раскачивающихся качелей и погасит их колебания.
Механизм параметрического возбуждения колебаний маятников и струн понял уже знаменитый лорд Рэлей. Мандельштам и Папалекси распространили этот принцип на все колебательные системы и, осознав его всеобщность, нашли новый путь возбуждения электрических колебаний, новый способ получения электрической энергии, новый тип электрического двигателя.
Главный способ получения электрической энергии и в наши дни основан на применении вращающихся генераторов – динамо, как их называли раньше. Таким путем получается электроэнергия не только на обычных тепловых электростанциях и гидростанциях, где генераторы приводятся в движение паром или текущей водой, но и на всех действующих атомных электростанциях. Остальные способы, как, впрочем, и метод параметрической генерации, имеют пока вспомогательное значение. Но для нас последний способ очень важен, ибо он привел ученых к новому типу лазера.
Способ очень прост. Он использует свойства обычного колебательного контура, являющегося электрическим эквивалентом качелей. Простейший контур состоит из электрического конденсатора – две металлические пластинки, разделенные воздушным промежутком, – и проволочной катушки. Если на пластинах конденсатора появятся электрические заряды, положительный на одной и отрицательный на другой, то по катушке потечет ток. Заряды исчезнут, но ток будет продолжаться, пока на пластинах не появятся точно такие же заряды, но противоположного знака. Там, где был плюс, появится минус, и наоборот. Затем все повторится в обратном направлении, и повторялось бы сколь угодно долго, если бы часть энергии не тратилась на нагрев проводов. Постепенно весь запас энергии превратится в тепло, и колебания прекратятся.
Но вспомним о качелях. Будем раздвигать пластины конденсатора каждый раз, когда заряд на нем достигнет наибольшей величины, и возвращать их обратно, когда заряд равен нулю. Придется два раза за период совершать работу против сил притяжения разноименных зарядов. В результате напряжение на конденсаторе каждый раз будет немного увеличиваться, и энергия электрических колебаний станет возрастать за счет механической работы. Так работает параметрический генератор. В реальных условиях энергия электрических колебаний не будет возрастать бесконечно, а лишь до тех пор, пока не установится баланс между механической работой, затрачиваемой на перемещение пластин конденсатора, и нагревом проводов. Конечно, может найтись и полезное применение получающейся при этом электрической энергии.
Общая теория колебаний позволяет, исходя из всего, что изучено в области механических и электрических колебаний, предвидеть аналогичные явления в других областях, в частности в оптике.
Наряду с умножением частоты света теория предсказывает возникновение при известных условиях света с частотой более низкой, чем частота возбуждающего лазерного света. Такие условия возникают, в частности, в некоторых кристаллах, в которых зеленое излучение аргонового лазера возбуждает желтые, красные и даже инфракрасные волны. Характерно, что каждая из волн распространяется только по вполне определенным направлениям. Эти направления определяются условиями синхронизма, о которых уже говорилось в связи с умножением частоты света в подобных кристаллах. В отличие от случая параметрического возбуждения колебаний маятников и электрических контуров, при котором интенсивность колебаний увеличивается со временем, здесь, в оптике, колебания усиливаются по мере продвижения волны в глубь кристалла, причем усиление тем сильнее, чем больше расстояние, на котором сохраняются условия синхронизма.
До сих пор мы не видели никаких путей к плавному изменению длины волны лазерного излучения. Для достижения этой заветной цели необходимо найти в кристаллах возможность возникновения более сложных условий синхронизма, связывающих между собой не две, а три световых волны. И здесь Хохлов и Ахманов исходили из радиотехнической аналогии. Выше, при обсуждении процесса параметрической генерации, говорилось лишь о генерации дробных гармоник с частотами, равными половине, трети и другим долям частоты возбуждающего колебания. Но если вместо простого колебательного контура применить систему из двух связанных контуров, то возможности сразу расширятся.
Если контуры настроены так, что сумма их резонансных частот равна частоте внешнего возбуждающего сигнала, то сигнал возбудит параметрические колебания сразу в обоих контурах. Частота каждого из контуров уже не должна быть строго фиксирована. Их можно перестраивать. Нужно соблюдать лишь одно условие; сумма их резонансных частот должна оставаться постоянной и равной частоте внешнего сигнала.
Кроме условия о сумме частот возбуждаемых колебаний, должно быть выполнено еще одно важное условие. Направления распространения всех трех волн тоже оказываются связанными между собой и с соответствующими длинами волн так, что они должны образовывать треугольник, стороны которого обратно пропорциональны соответствующей длине волны.
Казалось, что новое условие делает невозможным обеспечение волнового синхронизма, а вместе с тем делает недостижимым эффективное преобразование энергии возбуждающей волны в энергию двух возбуждаемых волн. Однако Хохлов и Ахманов заметили, что во многих кристаллах такое условие может быть выполнено. Более того, при повороте кристалла по отношению к направлению распространения волны лазера условия синхронизма выполняются для различных частот. Это и есть простейший способ перестройки частоты нового прибора, который авторы назвали параметрическим лазером.
Выходная мощность параметрического лазера пропорциональна мощности возбуждающего излучения и очень быстро увеличивается с длиной кристалла. Но и тот и другой путь ограничены. Чрезмерная мощность возбуждающего излучения, если ее даже удается получить, разрушит кристалл. Сильно увеличивать длину кристалла трудно, ибо сложность и стоимость выращивания больших однородных кристаллов возрастают много быстрее, чем размеры получаемого кристалла.
Хохлов и Ахманов избежали этих трудностей, поместив кристалл в оптический резонатор, состоящий из двух плоских зеркал, как в обычных лазерах. Волны, возбуждаемые в кристалле в результате параметрического взаимодействия, отражаются от зеркал и многократно пробегают вдоль него, причем интенсивность их каждый раз существенно увеличивается.
Сейчас параметрические лазеры позволяют плавно перекрыть диапазон частот, включающий видимый свет и значительную часть инфракрасного диапазона. Они получили широкое применение и в спектральных исследованиях, и в изучении биологических и химических процессов. Нелинейные кристаллы могут служить и своеобразными оптическими микрофонами. При их помощи можно модулировать световые волны так же, как при помощи микрофонов модулируют радиоволны для передачи музыки или речи.
Особое практическое значение приобрело в последнее время явление управляемой оптической рефракции. Атмосферная рефракция, искривляющая путь лучей в воздухе, была обнаружена, как известно, еще Птолемеем. Ее приходится учитывать и при работе радиолокационных станций. Рефракция проявится в любых средах, если их показатель преломления не всюду одинаков. «Стеклянные сучки» – свили в оконных стеклах, искажающие проходящий через них свет, вызваны именно нарушением оптической однородности стекла.
В веществах, показатель преломления которых сильно зависит от приложенного электрического напряжения, можно вызвать появление искусственной рефракции и таким путем изменять направление лучей света, проходящих через вещество. Такие приспособления применяются, в частности, в некоторых системах крупно-экранного телевидения и в некоторых типах оптических локаторов.
Нелинейные оптические явления – та область, где отчетливо проявляется неразделимое единство двойственной природы света. Все, что только что говорилось об умножении частоты света, выражалось при помощи привычных для радистов волновых понятий. Но все это можно выразить и иначе.
С квантовой точки зрения удвоение частоты выглядит так. Кристалл, обладающий нелинейными свойствами, превращает два кванта малой энергии (два кванта инфракрасного излучения) в один квант вдвое большей энергии (квант зеленого света).
Соответственно параметрическое возбуждение света представляет собой распад возбуждающего фотона на два вторичных фотона, причем их суммарная энергия равна его энергии, а их суммарный импульс его первоначальному импульсу.
Нелинейная оптика предсказывает большую роль других процессов, в которых участвует сразу по несколько фотонов. Красная граница фотоэффекта, послужившая Эйнштейну исходным пунктом для создания квантовой теории света, теряет свое значение при больших интенсивностях излучения, обеспечиваемых лазерами. В лазерном луче фотоны летят «так густо», что два или даже несколько фотонов могут одновременно отдать свою энергию одному электрону и выбросить его сквозь энергетический барьер, высота которого образует непреодолимое препятствие для одиночного фотона данной частоты.
Это же относится к ионизации. Обычно фотоны поодиночке участвуют в процессах возбуждения и ионизации атомов.
Может быть, еще интереснее процессы, в которых участвуют не только несколько фотонов, но и кванты звука – фононы.
Один из таких процессов – рассеяние света на тепловых волнах, рассеяние Мандельштама – Бриллюэна. С квантовой точки зрения, здесь все очень просто. Ведь звуковая волна может рассматриваться как поток квантов звука – фононов, – совершенно так же, как световая волна может быть представлена потоком квантов света – фотонов. Выбор того или иного представления зависит от характера рассматриваемого явления. В одних явлениях явственно выступают волновые свойства, в других преобладают квантовые.
В квантовой трактовке рассеяние Мандельштама – Бриллюэна сводится к столкновению фотона и фонона. Фотон исчезает, и одновременно рождается новый, имеющий другую частоту, меньшую, если при этом рождается и фонон, и большую, если фонон тоже исчезает. В таком процессе преобразуются не только энергии, но и импульсы взаимодействующих частиц: импульс вторичного фотона равен сумме импульсов первичного фотона и фонона, принимавшего участие в процессе.
Если же интенсивность падающего света очень велика, что легко достигается при помощи импульсных лазеров, то картина рассеяния Мандельштама – Бриллюэна резко меняется. При малой интенсивности света рассеяние пропорционально числу фононов. При большой – число фононов резко возрастает за счет рождения новых фононов в процессе рассеяния. В результате быстро увеличивается и само рассеяние. Так возникает фотонно-фононная лавина. Такой процесс называется вынужденным мандельштам-бриллюэновским рассеянием. Фононная лавина может, как показали Прохоров и Бункин, вызвать разрушение материала, в котором происходит такой процесс. Так может произойти и саморазрушение лазера, ибо вынужденное мандельштам-бриллюэновское рассеяние происходит и в активных элементах лазеров.
Многочастичным процессом с участием двух фотонов и фононов является и комбинационное рассеяние, открытое в 1928 году . Оно отличается от предыдущего тем, что фотоны, участвующие в нем, связаны нес тепловыми колебаниями среды как целого, не с тепловыми волнами, а с внутримолекулярными колебаниями.
При лазерных интенсивностях света может наблюдаться вынужденное комбинационное рассеяние, при котором так же резко возрастает интенсивность рассеянного света. На этой основе удалось создать новый специальный тип лазера, позволяющий получить чрезвычайно большую яркость когерентного света.
Нелинейная оптика – одно из молодых направлений древней науки. У нее уже много достижений, но еще большего следует ожидать в будущем.
Свет, отраженный предметами внешнего мира, несет в себе богатейшую информацию. Глаз воспринимает этот свет и передает полученную информацию в мозг. Здесь-то и возникает представление о внешнем мире.
Виктор Обухов был близорук. Стоило ему снять очки, как все расплывалось перед его глазами. Виктор уже оканчивал университет, а впервые ему пришлось надеть очки при поступлении в школу. Но и теперь он воспринимал пару копеечных стекол как чудо. Сквозь них ему открывается вся прелесть мира.
Конечно, еще в школе он умел на уроках физики объяснить, что хрусталики его глаз имеют слишком выпуклую форму и не могут создать на сетчатке резкого изображения. А вогнутые линзы очков помогают это сделать, И он знал, что дальнозорким, хрусталики которых слишком плоски, нужно носить выпуклые линзы, и тогда ослабевшие мышцы глаз могут справиться со своей задачей.
Итак, свет, рассеянный каждым телом, несет полную информацию о нем. Далее, ни глаз Виктора, ни фотоаппарат не способны зафиксировать и малой доли этой информации. Не так ли?
Людям с нормальным зрением легче. Они могут без малейшего напряжения переводить взгляд с ближних предметов на дальние и видеть все четко и ясно. Кривизна хрусталика изменяется рефлекторно, когда наше внимание переходит с одного предмета на другой. Глаз с нарушенными функциями этого сделать не может. Не может и фотоаппарат.
В фотоаппарате, где кривизна линз объектива неизменна, резкость изображения достигается изменением расстояния от объектива до эмульсии. Сбей наводку, и на пластинке не возникнет никакого изображения. Такая же каша, как у близорукого, лишенного очков.
Основное, что мы теряем, применяя для создания изображения линзы, – объемность. Недаром бытует выражение – «плоский, как фотография». Как тут не вспомнить традиционную японскую живопись. В ее традициях особенно проглядывает упорство, с которым художники стремились преодолеть пространство. Удаленные предметы на такой картине расположены над близкими. Близкие не заслоняют их. Прозрачные пастельные тона и смазанные контуры настолько соответствуют мягким горным пейзажам, что глаз не обращает внимания на главную особенность этой живописи. Но лишь только на картине возникают изделия рук человека с их четкими контурами или, помимо удаленных ландшафтов, появляется передний план, вспоминаются детские рисунки. Они плоски! Лишь живое воображение ребенка или воспитанная многими поколениями привычка позволяет, отвлекаясь от примитивной формы, домысливать телесную объемность реального мира. Дети быстро проходят путь, на который человечество затратило века. Они удивительно рано научаются переносить на бумагу изображения реального мира. Рельсы, уходя вдаль, сближаются. Телеграфные столбы становятся меньше и меньше. Лишь впоследствии дети узнают, что это называется перспективой.
Рисунок и живопись, лишенные перспективы, бесперспективны.
Перспектива органически свойственна фотографии. Законы оптики, управляющие прохождением света через объектив, переносят на фотоэмульсию изображение внешнего мира в полном соответствии с требованиями перспективы. Удаленный предмет получается меньшим, чем такой же самый, но более близкий. Более того, на фотографии ближние предметы заслоняют то, что находится за ними. Все это позволяет в какой-то мере судить о расстояниях. Но то еще не истинная объемность. Так мы видим, закрыв один глаз.
Ведь любой человек знает, зачем у нас два глаза. Каждый из них видит со своей точки зрения. Немного справа и немного слева. И мы не отдаем себе отчета в том, чем отличаются картины, видимые каждым из них. Обе они попадают в мозг, и он без участия сознания анализирует незначительные различия между обеими картинами и таким путем создает представления объемности.
Ни в учебниках, ни в энциклопедиях Виктор не смог обнаружить, кто и когда впервые осознал все преимущества, даваемые высшим животным тем, что они обладают двумя глазами. Не нашел он и того, когда был изготовлен первый бинокль, объединивший две галилеевы зрительные трубы.
Готовя доклад для семинара о стереоскопическом зрении, Виктор познакомился с работами Гельмгольца, в середине прошлого века не только заложившего основы современной физиологии зрения, но и создавшего телестереоскоп – прибор, как бы раздвигающий глаза человека. С помощью двух пар параллельных зеркал, крайние из которых отстояли более чем на метр, наблюдатель видел удаленные предметы столь же объемными, как близкие видны невооруженными глазами. Теперь этот принцип положен в основу большинства оптических дальномеров. Первый микроскоп для наблюдения двумя глазами оказался еще на двести лет старше, хотя осуществить его, пожалуй, было много труднее.
– И все-таки стереоскопия не имеет будущего в получении объемных изображений. И не может его иметь. Уже задолго до новейших достижений стереоскопии было ясно, чего она не способна дать ни при каких условиях. Рассматривая стереоскопическую пару через стереоскоп или через современный растровый экран, вы видите изображение только так, как его зафиксировал фотоаппарат. Только с той точки зрения, где стоял этот аппарат. Вы не можете взглянуть на предмет немного со стороны, даже если при этом могли бы открыться самые интересные детали. И ясно почему: на пластинке зафиксировано только то, лишь то, что «видел» объектив фотоаппарата. Все, что прошло мимо, безнадежно потеряно. Но потеряна и часть информации, попавшая на объектив. Она могла быть зафиксирована, но пропала втуне. Простите, но я снова повторяю, мы все еще не умеем фиксировать всю информацию, переносимую светом.
– А в это время, – продолжал Денисюк, – мне попался научно-фантастический рассказ. Его герой научился создавать, копии реальных предметов, не изображения, а именно копии. Точные копии, неотличимые от оригинала. Меня как обухом ударило. Возможно, я подсознательно стремился к чему-то подобному. Зерно попало в подготовленную почву. Мне казалось, я могу, я должен этого достичь.
Я хотел при помощи оптики придумать такой код, такой шифр, чтобы он поддавался расшифровке без помощи воображения. И я нашел его в самой основе оптики. В свойствах световых волн, в законах волновых полей.
Гораздо большую информацию можно извлечь, сравнивая структуру волны, отраженной предметом, с падающей волной, с волной, бегущей от источника света и еще не искаженной никаким предметом... Не искаженной предметом... предметом...
Вот он, скачок, без которого невозможен прорыв в неведомое!
В этой мысли подсознательно сплелись и теория отражения, и волновая теория света. А явление интерференции – взаимодействия двух волновых полей, – открытое в начале прошлого века Томасом Юнгом,
Рассказывая как-то о своем методе, Денисюк упомянул о цветных фотографиях Липмана. . Но что-то в липмановском способе Виктора увлекло.
Виктор даже изготовил одну такую фотографию, Самым сложным оказалось сделать специальную кассету, в которую надо было залить ртуть. Пластинка вставлялась в кассету эмульсией внутрь и плотно обжималась по краям. Затем в кассету наливалась ртуть.
Ртуть служила зеркалом, отбрасывающим свет, прошедший сквозь эмульсию, обратно в нее. Обойтись без ртути было невозможно, и Виктору пришлось проделать эту работу в вытяжном шкафу химической лаборатории.
После того как все было закончено, Виктор проявил пластинку. . В ярком свете солнца или обычной лампы на ней можно видеть ярко-красную розу на фоне изумрудной зелени листьев.
Некоторые из знакомых Виктора ни за что не хотели поверить, что эта замечательная фотография сделана не на цветной эмульсии. Своим товарищам-студентам он мог доказать это при помощи микроскопа, сквозь который в эмульсии были видны лишь обычные черные пятнышки. Но не оптики ему не верили.
Для того чтобы по-настоящему понять причину чуда, нужно посмотреть на срез эмульсии сбоку. И это тоже не просто. Увеличение должно быть большим, предстояло рассмотреть структуру, размеры которой составляют доли микрона.
Различия яркости объекта, как и в обычной фотографии, отображаются на пластинке степенью почернения соответствующего участка пластинки. Информация о цвете записана в чередовании черных и белых слоев, перемежающихся в толще эмульсии. Слои фиксируют стоячие световые волны, образованные взаимодействием волн, пришедших от объекта, и отраженных волн, отброшенных им навстречу зеркальным слоем ртути, расположенным за эмульсией. Это хитрый код, в котором записана информация о цвете предмета, и Липман сумел понять его и использовать.
Нечто подобное каждый видел и на поверхности воды, когда достаточно длинный цуг волн отражается от какого-либо протяженного неподвижного препятствия. На поверхности как бы застывает стоячая волна, но это волна не простая. Отраженная волна является продолжением падающей. Это две части одной волны, поэтому они строго согласованы между собой. Они взаимно когерентны, скажет физик, настолько же, насколько когерентны различные части самой падающей волны. Непосредственно у препятствия частицы воды практически неподвижны. На некотором расстоянии от него амплитуда колебаний максимальна. Это пучность стоячей волны. По мере удаления от препятствия пучности следуют на равных расстояниях одна от другой, отделенные узлами – областями, где вода остается практически неподвижной.
Расстояния между пучностями равны расстояниям между узлами. Они вдвое меньше длины волны, бегущей по свободной поверхности воды вдали от препятствия, куда не доходят отраженные волны.
Желая передать краски окружающего мира, Липман нашел способ фиксировать в фотоэмульсии стоячие волны света. Поверхностный слой эмульсии, примыкающий к зеркалу, остается прозрачным. Темные слои, отделенные равными прозрачными промежутками, – следы пучностей световых волн, то есть тех областей, где амплитуды падающих и отраженных волн складывались и интенсивность фотохимического действия была максимальной. Расстояния между слоями равны половине длины световой волны, для зеленого цвета равной 0,5 микрона, для красного примерно 0,6, для фиолетового – 0,4. Поэтому, в зависимости от цвета соответствующего места изображения меняется расстояние между темными слоями на липмановской фотографии.
Именно в этих расстояниях зафиксированы сведения о расцветке изображения. Эта тонкость, эта ювелирная работа света и покорила Виктора. Изящное сплетение пучностей и узлов как бы ждало дешифратора. Казалось, этот код никому не понять. А ключ к расшифровке липмановских фотографий был тем не менее очень прост. Нужно подставить их под пучок яркого белого света. Пластинка отразит его так, что от частей, в которых слои отстоят на 0,25 микрона, побегут интенсивные волны зеленого цвета, там, где эти слои отстоят на 0,3 микрона, мы увидим красный свет, и так далее. Каждый участок пластинки действует как фильтр, оптический фильтр, выделяющий из хаоса белого света лишь волны, длина которых вдвое больше расстояния между слоями эмульсии. Только эти волны отражаются от каждого из слоев согласованно, так что каждая отраженная волна складывается с остальными, отраженными от других слоев. Волны, длина которых не соответствует расстоянию между слоями, отражаются от них хаотически. Каждая часть «чуждого» света, отразившаяся от различных слоев, имеет свою фазу, скажет физик. Поэтому, налагаясь, они не усиливают друг друга, а, смешиваясь между собой, образуют неопределенный сероватый фон, смазывающий окраску липмановских фотографий. Впрочем, качество этих фотографий ухудшалось и природой самой фотоэмульсии. Зернышки серебра на ней обычно слишком крупны, чтобы в черно-белом коде зашифровать всю световую гамму реального мира.
Он хотел создать «окно в пространство предметов» и первым предложил применить для этого растровую оптику, ту, на которой основано современное стереокино и стереооткрытки. Но что это по сравнению с голографией, до которой он так и не дотянулся. Липман свернул обратно с перспективного пути волновой оптики в тупик геометрической оптики и уже не смог из него выйти.
Однако в методах Денисюка и Липмана общим было только одно – в обоих стоячие волны света фиксируются в толще фотографической эмульсии. Все остальное различно – и цель, и метод получения стоячих волн, и сам источник света. В установке Денисюка не было не только фотоаппарата, без которого невозможно получение липмановских фотографий, но даже фотографического объектива. Зато ему приходилось защищать свою установку от любого постороннего света, работать в затемненной комнате.
Виктора поражала простота этой установки. Больше всего места на массивном столе занимала мощная ртутная лампа в непроницаемом металлическом кожухе, охлаждаемом водой. Свет лампы выходил наружу лишь через специальный фильтр, пропускающий только чрезвычайно узкую часть спектра. Этот свет делился на две части. Одна попадала на плоское зеркало и отражалась от него на фотографическую пластинку. Другая часть освещала миниатюрную шкалку, укрепленную на специальном штативе. На шкалке были видны тоненькие черточки и маленькие цифры.
Из полной темноты призрачным зеленым светом вырваны эта шкалка и прямоугольная фотопластинка. Больше ничего не видно. Все случайные блики поглощаются тяжелыми черными занавесями. Даже присутствие зеркала и самой лампы угадывается лишь по блеску случайных пылинок. Долго, очень долго длится экспозиция, А потом пластинка проходит обычные процедуры проявления, фиксирования, промывки и сушки.
Виктор внимательно рассматривал эти пластинки, стараясь найти на них какие-нибудь признаки изображения. Но тщетно. Пластинки казались серыми, будто они были засвечены неопытным фотографом. Правда, под микроскопом на них обнаруживались непонятные призрачные узоры. Но и микроскоп не показывал ничего похожего на шкалку, образ которой должен был быть зафиксирован на пластинке.
Однако стоило осветить эту пластинку ярким солнечным светом или просто светом сильной электрической лампы, как происходило чудо. За пластинкой возникала шкалка, точно такая, как та, что стояла здесь несколько часов назад, а теперь лежит в коробочке, спрятанной в ящике стола.
Виктора поражало, что шкалка казалась освещенной зеленым светом, хотя свет, падающий на пластинку, был белым. Но еще более неожиданным было другое. Передвигая голову из стороны в сторону, можно было разглядывать шкалку с разных сторон. Она казалась столь реальной, что хотелось потрогать ее рукой, но протянутая рука встречала лишь пустоту. Там, где глаза ясно видели шкалку, ничего не было!
Денисюк торжествовал, наверное, не менее, чем известный всему свету художник, нарисовавший на своей картине муху так, что каждый, кто подходил к картине, хотел ее смахнуть.
Денис Габор, член Королевского общества Великобритании, обладатель многих научных степеней и званий .В то время Габор считал важнейшей задачей усовершенствование электронного микроскопа. Электронный микроскоп отличается от обычного не принципом действия, а лишь тем, что в нем изображение образуется не световыми волнами, а электронами, попадающими на фотографическую эмульсию после того, – как они прошли через исследуемый объект. В том месте эмульсии, куда попал электрон, после проявления возникает почернение. Там, куда попало больше электронов, почернение оказывается более интенсивным.
Линзы, используемые в электронном микроскопе, конечно, отличаются от оптических линз. Это магнитные или электрические линзы, обмотки или электроды которых создают соответственно магнитные или электрические поля, искривляющие траектории полета электронов, подобно тому как оптические линзы искривляют световые лучи. Несмотря на существенное физическое различие этих линз, результаты их действия оказываются весьма близкими.
Электронный микроскоп, как и оптический, формирует в плоскости, в которой расположена фотоэмульсия, резкое и четкое изображение только от малой части исследуемого объекта. Резкие изображения остальных частей могут быть получены соответствующим перемещением эмульсии или изменением тока через магнитные линзы или напряжения на электрических линзах. Одновременно получить на эмульсии резкое изображение всей толщи объекта невозможно. Не сфокусированные части объекта дают на снимке фон, лишь ухудшающий качество изображения и не дающий никакой дополнительной информации об объекте.
Габор вновь и вновь возвращается к мысли о том, что поток электронов, прошедших сквозь объект, несет в себе полную информацию о всех взаимодействиях, испытанных электронами в толще объекта. И в нем крепло стремление найти путь к использованию такой информации. Он ясно понимал, что успех, достигнутый при решении этой специальной задачи, будет иметь гораздо более широкое значение. Ведь и свет, падающий на объектив фотоаппарата или на зрачок глаза, содержит обширную информацию о всех предметах, от которых исходит свет. Но ни глаз, ни фотоаппарат, ни электронный микроскоп не могут одновременно образовать резкого изображения всех деталей независимо от их местоположения. Такова природа образования изображения при помощи линз. Линзы отображают на плоскости только плоские объекты, расположенные в определенных «сопряженных» плоскостях. Почернение фотоэмульсии пропорционально интенсивности воздействующих потоков фотонов или электронов. В результате фотоэмульсия фиксирует лишь ничтожную часть информации, переносимой светом или электронами.
Габор первым противопоставил скудость фотоизображения богатству информации, содержащейся в световом или электронном потоке. Он же указал путь преодоления этого разрыва.
Путь, предложенный Габором, и сейчас кажется парадоксальным. Он состоял из нескольких скачков.Первый – отказ от применения линз, ибо, формируя изображение одной плоскости объекта, линзы приводят к потере информации об остальной, причем большей, его части.
Второй – фиксирование на фотоэмульсии не изображения объекта, а по возможности всей информации о нем, переносимой пучком электронов или лучами света.
Третий – использование записанной информации для того, чтобы впоследствии создавать пучки света, несущие в себе всю эту информацию.
И четвертый – формирование при помощи этих пучков света изображения того объекта, информация о котором была зафиксирована в первой стадии процесса.
Габор подчеркивал, что радикальное отличие нового метода от обычной фотографии, которая записывает на фотоэмульсии изображение предмета в один прием, состоит в том, что процесс получения изображения разбит на два этапа, происходящих в различные моменты и совершенно независимо. Сперва на фотоэмульсию записывается информация об объекте, содержащаяся в потоке света или электронов, взаимодействующих с объектом. После проявления записанная информация может храниться сколь угодно долго, и, когда нужно, можно приступить ко второму этапу – воссозданию изображения на основе этой информации. Габор назвал свой метод голографией, прибегнув, как обычно, к греческому языку. «Голограмма» означает «полная запись». Воссоздание изображения при помощи голограммы он назвал «реконструкцией».
Рассматривая голограмму невооруженным глазом или даже под микроскопом, на ней невозможно обнаружить никакого изображения объекта. Невооруженному глазу пластинка представляется просто испорченной. Под микроскопом на ней можно увидеть хаотическое скопление мельчайших пятнышек, образующих кое-где узоры, напоминающие рябь, поднимаемую порывистым ветром на поверхности тихого пруда.
Всякому, имеющему хоть малейший опыт в фотографии, ясно, что получить такую запись, попросту поместив фотоэмульсию на пути потока электронов или света, взаимодействовавших с объектом, нельзя. Фотоэмульсия, реагирующая лишь на интенсивность потока, сама по себе способна зафиксировать только ничтожно малую часть информации, заключенной в этом потоке. Наивная попытка такого рода неизбежно приведет к порче пластинки. Она будет засвечена, скажет фотолюбитель.
Для того чтобы записанная информация оказалась более полной, необходимо принять особые меры. Заслуга Габора определяется тем, что он не только понял слабость известных методов, но предложил новый и нашел путь его реализации.
Габор первоначально имел дело с электронным микроскопом. Но его идеи весьма универсальны и применимы ко всем случаям, когда информация о каком-либо объекте переносится волнами. Это могут быть и звуковые волны. Электронный микроскоп лишь частный случай. Для его действия существенно, что электроны подчиняются волновым закономерностям. Волновые свойства электронов доминируют в электронном микроскопе в такой же мере, как их корпускулярные свойства играют основную роль в работе радиоламп и фотоэлементов.
Готовясь к докладу на семинаре, Виктор внимательно изучил те статьи Габора, которые ему удалось найти.
Его, как и Денисюка, захватили работы Габора, заинтересовала сама личность ученого. Их обоих удивили и разносторонность интересов Габора, и широта подхода к казалось бы локальным проблемам. Он показался обоим личностью обаятельной и несколько даже загадочной. Даже биография шестидесятилетнего ученого была необычной и удивляла непоследовательной щедростью и расточительностью научных идей. И Денисюк и Виктор много думали о нем, гадали о его научных перспективах. Доклад получился общим.
Для того чтобы рассказать товарищам, как волновая сущность электронов проявляется в электронном микроскопе, и передать всю глубину идей Габора, Виктор смог обойтись без помощи квантовой физики и даже без ссылок на ранний вариант квантовой механики – волновую теорию де Бройля.
– Достаточно лишь принять, – сказал он в предисловии, – как опытный факт, что все то, что при работе оптического микроскопа является результатом действия световых волн, наблюдается и в электронном микроскопе. Все, за исключением масштаба. Ибо длина волн видимого света лежит в пределах от 0,4 до 0,8 микрона, в то время как волны, связанные с электронами, много короче.
Свой рассказ Виктор начал не со света, а с волн, бегущих по поверхности воды после падения камня. Он призвал на помощь маленьких гномиков, живущих на берегу пруда и неспособных видеть, что происходит в его середине.
– Если они будут, – говорил Виктор, – в безветренную погоду наблюдать за волнами, приходящими к берегу, они смогут узнать многое. Например, если волны имеют форму кусков окружности, значит они вышли из какого-то центра. Определив, как идут касательные в двух точках этой волны, гномы легко выяснят не только расстояние до точки, из которой вышла волна, но и ее точное положение на поверхности пруда.
– А теперь представьте себе, – продолжал он, – что русалка, живущая в этом пруду, захотела подшутить над нашими гномами, слишком хваставшими своим умением. Взяв у Амура его лук, она прицелилась в гнома, но вместо того, чтобы выпустить разящую стрелу, повернула лук горизонтально и ударила им по поверхности воды. Вы представляете себе, каким русалочьим смехом она залилась, когда бесхитростный гном сообщил ей точные координаты падения камня? И как она с самоуверенностью первокурсницы доказывала, что лук, согнутый по форме части окружности, возбудил волну, которую невозможно отличить от порожденной камнем, если наблюдать ее лишь в малом участке удаленного берега. И ведь она права, – уже серьезно заключил Виктор, – даже миллионы гномов, став плечом к плечу вокруг всего пруда, не смогут сказать, упал ли на поверхность воды камень, или красавица забросила туда свой обруч.
Мораль проста. Зная, какая информация передается волной, можно создать точно такую же волну иным способом и воспроизвести эту информацию еще раз, не повторяя события, бывшего ее первоначальным источником.
Два камня, одновременно упавшие в воду, возбудят две кольцевые системы волн. Чем больше камней, тем сложнее картина, образуемая волнами. Но, зная законы физики и проведя достаточно внимательно необходимые наблюдения, можно не только выяснить, в каких точках должны были падать камни, но и воспроизвести эти волны, воздействуй на поверхность воды шаблонами соответствующей формы.
Именно такую задачу поставил и решил Габор. Он нашел способ зафиксировать волну, взаимодействовавшую с объектом наблюдения, так, чтобы можно было впоследствии воспроизводить такую же волну сколь угодно много раз. Габор определил, насколько подробно необходимо фиксировать информацию о записываемой волне, чтобы реконструируемая волна воспроизводила сведения об объекте. Он указал, каким путем достичь поставленной цели, и на опыте подтвердил правильность нового метода.
Для того чтобы зафиксировать световую волну, отображающую объект, он ставил на ее пути фотопластинку и направлял на нее также часть света прямо от источника, освещавшего объект. Складываясь между собой, обе эти волны образовывали систему стоячих волн, которая и фиксировалась в эмульсии после ее проявления в виде системы мельчайших темных и светлых полосок. Так получалась голограмма. Потом Габор направлял на голограмму свет от того же источника. И происходила поразительная вещь. Темные полоски голограммы устраняли из света все лишнее, все то, что не несло информацию о предмете. А пропускали через себя лишь точно такие же световые волны, которые при получении голограммы попадали на нее от объекта.
Если теперь свет, прошедший через голограмму, попадал в глаза наблюдателю, у того создавалась полная иллюзия того, что там, за голограммой, имеется реальный объект.
Все источники света, существовавшие в период первых работ Габора, как, впрочем, и те, с которыми мы и теперь встречаемся в обычных условиях, возбуждают световые волны примерно так же, как песчинки в опыте нашей русалки. Каждая частичка раскаленной проволочки в лампе накаливания, каждый атом в газосветной лампе излучают световые волны независимо от других. Наш глаз приспособлен к этому. Он реагирует лишь на интенсивность света. Так же ведет себя фотоэмульсия. Им важна не тонкая структура приходящих волн, а только полная энергия, приносимая всеми волнами. Точнее, глаз и фотоэмульсия фиксируют распределение световой энергии по светочувствительной поверхности. Но сведений о распределении энергии совершенно недостаточно для того, чтобы воспроизвести еще раз совокупность волн, действовавших на фотоэмульсию.
Свои опыты Габор проводил со световыми волнами. Эксперимент с электронами был намного сложнее, да и необходимость в нем в существенной мере отпала. Другие исследователи к тому времени значительно усовершенствовали электронный микроскоп, так что несовершенная еще методика Габора оказалась неконкурентоспособной.Он разрешил загадочный парадокс Ленгмюра, объяснив, почему и как электроны в низкотемпературной плазме способны неожиданно быстро приходить к равновесному – максвелловскому состоянию.
Габор работает и над созданием плоского телевизионного экрана, который можно было бы вешать на стену, как картину...
Общей была задача отображения объекта путем фиксации волнового поля, исходящего от объекта. Общим был метод фиксации, основанный на сравнении этого волнового поля с опорным волновым полем, например с полем сферических волн. Общим был способ расшифровки записи, при котором на голограмму (Денисюку понравился этот термин) направлялась волна такой же структуры, как и структура опорной волны, использованной при получении голограммы. Этим и ограничивалась общность. На ее фоне четко выступали различия. И были ясно видны причины, направившие ученых различными путями. Габор отталкивался от электронного микроскопа. Может быть, поэтому и в его оптических опытах опорный пучок света направлялся на пластинку с той же стороны, что и свет от объекта.
Денисюк, может быть бессознательно, опирался на опыт Липмана, у которого эти пучки падали на эмульсию с различных сторон. У Габора интерференционные максимумы отстояли сравнительно далеко один от другого, и в каждом участке эмульсии располагался лишь один из них. Можно сказать, что эмульсия давала плоский разрез поля стоячих волн. В опытах Денисюка интерференционные максимумы располагались очень близко один от другого, так что в толще эмульсии укладывалось много таких максимумов. В эмульсии фиксировалась объемная структура стоячих волн. При этом Денисюку, конечно, нужны были очень хорошие эмульсии.
Такие, казалось, незначительные различия вели к существенным последствиям. Расшифровывать плоские голограммы Габора, рассматривать зафиксированный на них объект можно было только при столь же монохроматическом (одноцветном) свете, как тот, при котором голограмма была получена. Но ограниченная чувствительность глаза приводила при этом к резкому ограничению объема пространства, отображенного голограммой. Для увеличения объема требуется сужать спектр, а применение узкополосных фильтров уменьшает яркость света, и глаз ничего не видит.
Объемные голограммы Денисюка можно рассматривать при ярком белом свете. Они сами, подобно липмановским фотографиям, отфильтровывают нужную часть спектра. А применение узкополосных фильтров при получении голограммы не ограничивается чувствительностью глаза. Оно приводит только к увеличению времени экспозиции. Одно это различие давало Денисюку возможность применять голографию там, где метод Габора был совершенно непригоден.
Но обнаружилось и второе существенное различие. При рассматривании голограммы Габора образовывалось сразу два изображения объекта – действительное, подобное тому, что видно через выпуклую линзу, и мнимое, аналогичное возникающему в обычном зеркале. Изображения налагались друг на друга, вызывая взаимные помехи.
Метод Денисюка приводил к одновременному восстановлению лишь одного изображения объекта. Это могло быть действительное изображение или мнимое, в зависимости от того, с какой стороны направлялся на голограмму пучок света при восстановлении изображения. Благодаря такому свойству объемной голограммы не возникало искажений, свойственных методу Габора.
Не менее отчетливо видны и различия между объемной голограммой Денисюка и цветной фотографией Липмана, объединяемыми тем, что та и другая основаны на возникновении в толще эмульсии пространственной системы, соответствующей распределению пучностей стоячих волн света. В фотографиях Липмана белый свет, отраженный от объекта, попадает на объектив, а объектив рисует плоское изображение объекта на эмульсин. Ртутное зеркало, отражая обратно свет, прошедший эмульсию, образует в ней систему стоячих волн. После проявления в эмульсии возникают слои почернения, выделяющие из белого света цвета, «окрашивающие» изображение. Все сведения о пространственной структуре объекта оказываются утраченными в результате комбинации специфических свойств объектива и фотоэмульсии.
В голограмме Денисюка зеркало, образующее опорный пучок света, вынесено на некоторое расстояние от эмульсии. Он использует упорядоченный фильтром одноцветный свет, выделенный из излучения ртутной лампы. И жертвует воспроизведением окраски объекта. Но он может обойтись без объектива, без непосредственного формирования изображения и благодаря этому получает возможность полностью фиксировать сведения о пространственной структуре объекта, о его форме.
Но Денисюк называет свою голограмму объемной не потому, что она способна воспроизводить объемность объекта, этого можно достигнуть и при помощи плоской голограммы Габора, а лишь потому, что его голограмма формируется во всем объеме толстослойной эмульсии. Только это позволяет ему реконструировать изображение в белом свете и избежать искажений, свойственных голограммам Габора.
Конечно, и для Денисюка известие о создании первого лазера было сюрпризом.
Естественно, первые лазеры были несовершенны. Но стала ясна близкая перспектива. Благодаря усилиям многих ученых она вскоре превратилась в реальность. Лазеры теперь столь стабильны, что они способны покрыть системой упорядоченных стоячих световых волн объемы размером во много кубических метров.
Именно этого и недоставало для нужд голографии. Теперь перед нею открылись огромные возможности.
Не приходится сомневаться в том, что Денисюк тотчас начал работать с лазерами. Первоначально они ничего не изменили в его методе. Просто стало удобнее и легче работать. Заменив лазером ртутную лампу с фильтром, Денисюк смог получать голограмму значительно быстрее. В ряде случаев, практически за мгновения. Очень существенное обстоятельство.
Теперь голография имеет дело не со специально изготовленными миниатюрными объектами и даже не с шахматными фигурами и игрушками, а с предметами обычной жизни и техники. А в технике скорость исследования играет не последнюю роль.
Лазер внес в работу Денисюка еще одно важное достижение. Объемная голограмма способна запомнить столь полную информацию об объекте, что, освещая его тремя лазерами, дающими синее, зеленое и красное излучения, Денисюк может получать голограммы, которые при солнечном свете дают не только объемное, но и многоцветное изображение. Он увидел в лазерах средство получения изображений одновременно и объемных и цветных.
Вскоре выяснилось, что объемная голограмма Денисюка не единственный возможный вариант лазерной голографии. Лазер оказался гибким орудием. И всякий смог применить его по-своему. Совершенно независимо от Денисюка после появления лазеров начали исследования в области голографии Эммет Лейт и Юрис Упатниекс, сотрудники Мичиганского университета.
Радиопередатчик излучает в пространство радиоволны вполне определенной частоты. Они в высшей степени когерентны. Но в таком виде радиоволны несут предельный минимум информации. Приняв их, можно лишь узнать, что передатчик включен, измерить его частоту и определить местонахождение.
Для того чтобы передать по радио какую-нибудь информацию, необходимо нарушить неизменность радиоволн, вплести в них информацию, подлежащую передаче. Для этого можно изменять амплитуду, частоту или фазу волны. Эта процедура называется модуляцией – амплитудной, частотной или фазовой соответственно. Саму радиоволну, над которой проводятся эти процедуры, радисты называют несущей.
Для того чтобы в месте приема извлечь из модулированной несущей информацию, которую она несет, необходимо провести операцию, обратную модуляции, – демодуляцию. В результате образуются сигналы, при помощи которых можно на экране телевизора восстановить передаваемые изображения или при помощи громкоговорителя восстановить переданный звук.
Одним из простейших методов, теперь почти не применяемых в радиотехнике, является гетеродинный прием. Модулированная несущая смешивается в приемнике с сигналом местного гетеродина. Этот опорный сигнал в точности совпадает по частоте с сигналом передатчика. Простое устройство вычитает его из принимаемого. В разности остается то, что было внесено в несущую в процессе модуляции. Остается информация, передача которой и является целью радиосвязи. Лейт и Упатниекс поняли, что применение лазера позволяет реализовать идеи Габора совершенно аналогичным путем.
Свет лазера, обладающий высокой степенью когерентности, играет роль несущей. При рассеянии света от объекта строгое постоянство лазерных волн нарушается. Это не что иное, как модуляция. Отдельные точки объекта по-разному воздействуют на амплитуду и фазу соответствующего участка волны. Каждая точка объекта превращает упавшую на нее часть волны в разбегающуюся сферическую волну, несущую в себе информацию об оптических свойствах этой точки поверхности объекта. Вся система разбегающихся от объекта волн содержит в себе наиболее полную, из возможной оптической, информацию об объекте. Если часть этих волн попадает в глаз, мы видим объект.
Лейт и Упатниекс поставили перед собой задачу зафиксировать на фотоэмульсии всю информацию, заключенную в свете лазера, рассеянном объектом. Они поставили фотопластинку так, чтобы на нее падала часть рассеянных волн, и при помощи зеркала направили на нее пучок света непосредственно от лазера. По аналогии с радиотехникой они назвали пучок опорным.
В процессе взаимодействия волны, пришедшей от объекта, и опорной волны метод Лейта и Упатниекса ни в чем не отличается от метода Денисюка. В той части пространства, в которой опорный пучок света налагается на рассеянный, возникает система стоячих волн. Стоячие волны воспринимают всю модуляцию, вносимую объектом в падающий на него свет. Таким путем полная информация об объекте переносится в стоячую волну. Но так как в каждую точку пространства попадают рассеянные волны от каждой из точек поверхности объекта, эта информация запечатлевается в любой точке стоячей волны. В том числе она фиксируется в каждой точке фотопластинки, помещенной там, где на нее может одновременно действовать и свет, рассеянный объектом, и опорный пучок.
Коренное отличие от метода Денисюка обнаруживается на стадии взаимодействия света с фотопластинкой. Лейт и Упатниекс, как и Габор, пользовались пластинками, покрытыми тонкослойной эмульсией. Поэтому на их пластинках не могли одновременно поместиться несколько пучностей стоячей волны. В них не получалось ничего похожего на многослойный оптический фильтр, позволявший Денисюку восстанавливать изображение при помощи белого света.
Тонкослойная эмульсия пересекает систему стоячих волн, как пила древесный ствол, обнаруживая скрытую систему годичных колец. В результате на эмульсии возникает сложный узор, в котором и заключена вся информация. Разница в толщине слоя фотоэмульсии привела, таким образом, к существенному различию в структуре голограммы, и это, конечно, сказалось на стадии восстановления изображения.
Лейт и Упатниекс должны были освещать полученную ими голограмму светом лазера, который выполнял ту же функцию, что гетеродинный сигнал в радиоприемнике. Пройдя через голограмму, свет оказывается промодулированным. Он воспринимает всю информацию, заключенную в голограмме. Смотря сквозь голограмму, можно увидеть, как и по методу Денисюка, объемное изображение объекта, как бы висящее в воздухе за голограммой. Возникают все эффекты, с которыми мы уже знакомы, но в отличие от предыдущего цвет изображения совпадает не с окраской объекта, а с цветом лучей лазера.
Существеннейшее отличие плоской голограммы от объемной проявится при попытке воспользоваться для восстановления изображения белым светом. Объемная голограмма Денисюка, действующая подобно многослойному интерференционному фильтру, отбирает из белого света ту длину волны, при помощи которой была получена голограмма, так что воспроизводимое изображение имеет точно тот же цвет. Плоская голограмма состоит из одного слоя, заполненного точками и линиями, образовавшимися в результате разреза плоскостью фотоэмульсии пространства, заполненного стоячей волной. Она не может справиться с этой задачей. При освещении белым светом она не даст ровно ничего.
Плоская голограмма, так же как объемная, содержит полную информацию о форме объекта, но в отличие от объемной голограммы плоская голограмма не содержит информации о цвете объекта.
Однако это тот случай, когда слабость обращается в силу. Вследствие того, что плоская голограмма не обладает свойствами многослойного фильтра и нечувствительна к цвету объекта, мы можем восстановить записанное в ней изображение при помощи любого лазера, а не только тем, который применялся при получении голограммы. Более того, если при воспроизведении плоской голограммы применяется более длинноволновое излучение, чем при записи, изображение окажется увеличенным. Например, если голограмма получена в ультрафиолетовых лучах длиной 0,23 микрона, а изображение восстанавливается при помощи рубинового лазера, то увеличение равно трем. Для голограмм, получаемых в рентгеновых лучах или при помощи электронного микроскопа и восстанавливаемых в видимом свете, увеличение достигает сотен. О голографическом микроскопе, дающем еще большие увеличения, мы расскажем поподробнее ниже. Сейчас же постараемся понять, как такой метод создает цветную иллюзию.
Если плоская голограмма освещается белым светом, то в ней одновременно возникает множество изображений одного и того же объекта, каждое в одном цвете, причем масштабы изображений будут различными – крайне красные будут вдвое больше наиболее фиолетовых. Все изображения сольются в глазах наблюдателей в серую пелену.
И тем не менее при помощи плоской голограммы можно получить объемное трехцветное изображение. Для этого необходимо на одну голограмму записать информацию об объекте в трех цветах – синем, зеленом и красном – и при восстановлении изображения пользоваться одновременно тремя лазерами, дающими эти же цвета.
Второе существенное отличие плоской голограммы от объемной состоит в том, что она дает одновременно два изображения объекта – действительное и мнимое. Действительным изображением называется такое, которое образуется на экране, например на киноэкране или на фотопластинке, стоящей позади объектива. Мнимое изображение невозможно непосредственно наблюдать на экране. Его необходимо предварительно преобразовать в действительное при помощи выпуклой линзы. Но мнимое изображение можно видеть глазом, так как хрусталик, являющийся выпуклой линзой, преобразует его на сетчатке в действительное изображение. Дело опять в том, что плоская голограмма не обладает свойством многослойного оптического фильтра. Опорный пучок лучей лазера, служащий для восстановления изображения, попадая на плоскую голограмму, распадается на три пучка. (В действительности возникает еще несколько пучков, но они обычно очень слабы и не играют роли в формировании изображения.) Один из этих пучков является продолжением опорного. Он не имеет для нас никакого значения. Второй, идущий под углом к первому, состоит из расходящихся лучей. Они являются точной копией расходящихся лучей рассеянного света, исходивших от объекта в момент получения голограммы. Третий образует действительное изображение.
Большая интенсивность и высокая когерентность света лазеров позволили Лейту и Упатниексу расположить зеркало далеко от фотопластинки и так, что опорный пучок света, идущий от зеркала, падает на пластинку под углом к свету, рассеянному объектом. Благодаря этому при восстановлении голограммы действительное и мнимое изображения не накладываются друг на друга и не возникают искажения, свойственные первоначальному методу Габора.
При использовании объемных голограмм Денисюка тоже можно получить действительное изображение. Нужно только направить на нее опорный пучок света в противоположном, чем раньше, направлении. Пустив дым туда, где раньше сквозь голограмму мы видели мнимое изображение, мы увидим теперь действительное. Видеть их одновременно, конечно, нельзя.
Несмотря на существенные преимущества объемных голограмм – возможность восстановления изображения в белом свете без использования лазеров и получения лишь одного изображения, а не нескольких, как в случае плоских голограмм, – плоские голограммы сейчас имеют более широкое применение. Это связано с чисто техническими причинами. Современные толстослойные фотоэмульсии заметно поглощают свет. Поэтому чем глубже слой эмульсии, тем меньше информации он получает, особенно о тех деталях объекта, которые освещены слабее или хуже отражают свет.
Для плоских голограмм применяются эмульсии, толщина которых меньше половины длины волны используемого лазера. Здесь поглощение, конечно, не играет существенной роли.
Потенциальные преимущества объемных голограмм, в особенности возможность концентрации огромных количеств информации в элементах малых размеров, стимулируют усилия с целью создания новых специальных фотоэмульсий и поиска новых процессов, позволяющих фиксировать информацию, содержащуюся в стоячих волнах.
Один из таких процессов – образование окрашенных центров в некоторых прозрачных кристаллах. Такие центры возникают в кристаллах под действием электронов или фотонов, обладающих достаточно большой энергией. Вероятность образования окрашенных центров при фиксированной энергии возбуждающего излучения пропорциональна плотности энергии излучения. В случае стоячих волн она больше в пучностях и меньше в узлах. Поэтому интенсивность окраски, как и интенсивность почернения фотоэмульсии, оказывается пропорциональной интенсивности стоячей волны. Важным преимуществом такого метода является принципиальная возможность стирания полученной голограммы и многократного повторного использования кристалла. В некоторых кристаллах это достигается путем простого нагревания. К сожалению, такие кристаллы еще не нашли применения в практической голографии.
Современной голографии, основанной на применении лазеров, неизмеримо превосходящих по когерентности все другие источники света, всего восемь лет. Что же она уже может и что обещает в будущем?
Удивительно, но голография может успешно соревноваться с обычной фотографией, применяющей объективы, даже в ее коронной области – получении плоских черно-белых изображений. Возможности обычной фотографии ограничены в двух отношениях. Разрешающая способность, то есть способность воспроизвести раздельно две мелкие детали изображения, ограничивается и качеством объектива, и качеством фотоэмульсии. В лучшем случае изображение может содержать детали размером около сотой доли миллиметра. Иногда существенна и способность эмульсии воспроизводить градацию яркости объекта. Лучшие фотоматериалы позволяют воспроизводить не более ста ступеней между наиболее белым и наиболее темным участком изображения.
Разрешающая способность голограммы зависит главным образом от ее размера, который, в свою очередь, может быть ограничен свойствами источника света. Однако в настоящее время предел разрешающей способности голограммы определяется не этим, а свойствами фотоэмульсии, на которых фиксируется голограмма. Сейчас существуют фотоэмульсии с разрешающей способностью до 10 тысяч линий на один миллиметр. Их чувствительность очень мала, так что приемлемые длительности экспозиции могут быть достигнуты только при применении лазеров.
Для многих применений чрезвычайно важно, что при голографической записи каждая точка голограммы получает информацию одновременно о всех точках объекта. Затем при восстановлении изображения каждая точка голограммы участвует в формировании каждой точки изображения, а значит, любая точка изображения синтезируется при помощи всей голограммы. Именно благодаря этому голография может реализовать рекордную разрешающую способность и передать в сто раз более подробную градацию тонов, чем это возможно для двух соседних точек фотоэмульсии. Конечно, для того чтобы воспользоваться всем богатством полутонов, записанных на голограмме, не стоит и пытаться воссоздать изображение на фотобумаге. Мы уже знаем, что фотобумага не способна к этому, и весь выигрыш будет потерян.
Чем меньший кусок голограммы используется для восстановления изображения, тем беднее гамма яркости, тем меньше разрешающая способность. Однако даже очень малая часть голограммы способна образовать изображения всего объекта целиком, хотя эти изображения содержат все меньше деталей и становятся все более однотонными по мере уменьшения площади использованной голограммы.
Естественно считать, что ближе всего к фотографии примыкает кино и телевидение, и попытаться применить к ним методы голографии. Голографическое кино уже существует, правда, оно применяется пока лишь в исследовательской работе. Малая длительность вспышек лазеров, дающих гигантские импульсы, – несколько стомиллионных долей секунды – позволяет фиксировать мгновенное распределение и движение пылинок, капелек дождя и тумана в воздухе, твердых частичек в струе газов ракетных двигателей, пузырьков и мелких организмов в потоках воды. Прокручивая кадры голограммы в медленном темпе или даже останавливая их, можно подробно изучать объемное распределение важнейших деталей, производить точные измерения или другие наблюдения, недоступные в естественных быстротечных процессах.
На пути к созданию художественных голографических кинофильмов стоят чисто технические трудности, связанные с необходимостью применения сверхъярких лазеров и созданием специальных кинопленок. Преодоление их – вопрос времени.
Огромный объем информации, записанной на голограмме, сильно затрудняет ее передачу по телевизионному каналу. Расчет показывает, что для этого нужно увеличить полосу телевизионного канала в сотни раз. Такое возможно лишь при переходе телевидения по крайней мере в диапазон миллиметровых радиоволн, Но и в этом случае необходимо радикально уменьшить диаметр электронного пучка в приемных и передающих телевизионных трубках и усовершенствовать покрытие экранов трубок.
Однако уже зарубежные опыты передачи отдельного неподвижного голографического изображения показали необычайную помехоустойчивость системы. Изображение воспроизводилось с минимальными искажениями даже тогда, когда связь не нарушалась помехами лишь 10 процентов полного времени передачи!
Первые шаги голографии были связаны с микроскопом. Электронная микроскопия достигла высокого совершенства и без применения голографии. Это отчасти лишало голографию одного из стимулов развития в первые годы ее существования. Однако возможности реализации объемного изображения вновь привлекли лазерную голографию к задачам электронной микроскопии.
По-видимому, наибольшие перспективы голографического микроскопа лежат в области ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, где невозможно применение линзовой техники. Ведь большинство материалов непрозрачны для коротких ультрафиолетовых лучей и практически не искривляют пути распространения рентгеновских лучей. Но пока не существует рентгеновского лазера. Нет достаточно мощных лазеров в диапазоне коротких ультрафиолетовых лучей. Поэтому реализация потенциальных преимуществ голографического микроскопа – дело будущего.
Наибольшее практическое применение голография получила в технике и в исследовательской работе. Например, при изготовлении точных деталей сложной формы – лопаток турбин, корабельных винтов и т.п. – контроль изделий занимает значительную часть времени, требует сложных приспособлений и высокой квалификации. Если лазерный свет, отраженный от изделия, пропустить через голограмму, полученную при помощи шаблона, то отступление размеров изделий на долю длины волны от размеров шаблона приведет к появлению на экране интерференционных полос. Число и расположение этих полос характеризуют отступление размеров изделий от расчетной величины. Особенно удобна возможность непрерывного визуального контроля для процесса окончательной доводки размеров изделия. Поверхность изделия вовсе не должна быть полированной, как при прежних методах оптического контроля.
Во многих случаях нет необходимости даже в изготовлении шаблона. Голограмму можно сделать просто по чертежу изделия или даже на основе математической формулы, описывающей форму поверхности изделия.
Пропуская лазерный свет, рассеиваемый какой-либо деталью работающей машины, через голограмму неподвижной детали, можно обнаружить вибрации и ничтожные деформации детали. И на деталь не надо действовать ничем, кроме света.
Голографические методы уже успешно применяются в звуковидении и радиолокации. Если предмет, погруженный в прозрачную жидкость, облучается потоком звуковых или ультразвуковых волн так, что рассеянные им волны попадают на поверхность жидкости, на ней возникает рябь. Если на поверхность одновременно попадает и волна, идущая непосредственно от источника, то рябь на поверхности превращается в систему неподвижных стоячих волн. Они содержат информацию о форме предмета и о механических свойствах его поверхности. Облучая эти стоячие волны светом лазера, можно увидеть глазами изображение объекта, скрытого в жидкости. Аналогично можно исследовать раковины и другие включения внутри металлических или цементных блоков и в других непрозрачных твердых телах.
Наиболее распространенные радиолокаторы ощупывают пространство узким пучком радиоволн. Изображение цели на окружающем фоне воссоздается на трубке радиолокатора по точкам, подобно тому, как воспроизводится изображение в телевизоре.
В последнее время задачи радиолокации усложняются. Необходимо одновременно следить за многими целями, быстро перемещающимися в больших областях пространства. Обычный одноантенный радиолокатор достиг предела своих возможностей. Появились сложные многоэлементные системы. Чрезвычайно возрос объем поступающей информации. Методы голографии позволяют и здесь добиться хороших результатов.
Неисчерпаемые возможности голография открывает в области вычислительных машин и других систем накопления и обработки информации. Расчеты показывают, что плоская голограмма на пластинке размером 7 на 7 сантиметров вмещает 100 миллионов единиц информации, что соответствует библиотеке из 300 книг по 200 страниц каждая.
Объемная голограмма способна сосредоточить миллион миллионов единиц информации в одном кубическом сантиметре. Задача состоит в том, чтобы удобно и быстро осуществить такую запись и, что особенно сложно, быстро извлечь из этой массы нужную информацию.
Огромным преимуществом голографической записи является замена последовательного поиска, применяемого в других системах (перелистывание страниц, просмотр оглавления и библиографических карточек, прокручивание магнитных пленок), одновременным анализом всего блока памяти.
Например, метод, иногда называемый методом фантомных изображений, действует так. Информация, например страницы книги последовательно вводится в голограмму – блок памяти. При этом часть каждой страницы отводится для записи ключевых данных – например, название книги, автор, номер страницы. На стадии восстановления изображения луч лазера, направленный на голограмму, предварительно проходит через ключевую карточку – пластинку, на которой нанесены ключевые данные нужной страницы. На экране немедленно возникает изображение всей страницы. Существующая техника позволяет достаточно четко восстановить содержание страницы, даже если лишь 2 или 3 процента ее площади использовать в качестве ключа поиска. Это, конечно, значительно упрощает процесс. Но ученые хотят достичь много большего сжатия информации.
Более эффективным является метод, аналогичный ассоциативной памяти. Большой объем голографических систем памяти вместе с применением ассоциативной методики позволит в будущем создать машину для перевода, хранящую в «словаре» не отдельные слова, а целые фразы. В блок записывается информация о связи входного сигнала (например, определенной фразы русского языка) с выходным сигналом (соответствующим фразе иностранного языка). В выходной блок записываются лишь выходные данные, в нашем примере – множество иностранных фраз. На стадии восстановления информации выходной блок освещается лучом лазера, проходящим через блок памяти. При отсутствии входного сигнала на экране за выходным блоком имеется только слабое равномерное освещение. Если же, кроме опорного луча, на блок памяти падает вторая часть луча того же лазера, предварительно пропущенная через пленку, на которой записана русская фраза, то на экране немедленно появится ее иностранный эквивалент. Если соответственная русская фраза и ее иностранный эквивалент не были первоначально введены в систему, на экране не возникнет никакого изображения.
Пока такой машины не существует, но создание ее требует лишь преодоления технических трудностей. И можно создать в такой машине возможность приближенных переводов фраз, интересующих абонента, даже если эти фразы не были введены в ее память.
Методы, кратко описанные выше, позволяют производить не только быстрый поиск, но и обработку информации, например, осуществлять математические и логические операции, опознавать различные образы: разыскивать фотографии, на которых присутствует определенное лицо, или производить анализ крови или отпечатков пальцев, и многое другое.
В последнее время разработаны специфические методы голографии, позволяющие обходиться без источников когерентного излучения. Они представляют собой в некотором смысле возврат к липмановским фотографиям, но на более высоком уровне и без применения линз. В методе Липмана интерференционная структура возникала при взаимодействии некогерентного света, прошедшего через объект, с лучами того же света, отразившимися от зеркала, примыкающего к фотоэмульсии. В современной некогерентной голографии некогерентное излучение, прошедшее объект, расщепляется дифракционной решеткой. Два главных пучка, образованных решеткой, направляются на голограмму при помощи двух вспомогательных зеркал. Этот метод применим и к рентгеновским лучам, и даже к гамма-лучам в эффекте Мессбауэра.
Современная голография – дитя лазера. Она уже вышла из пеленок и стала средством быстрого прогресса науки и техники. Мы еще услышим о многих чудесах, превращенных голографией в реальность.
Но ни Габор, ни Денисюк ничего не знали о трудах польского физика Мечислава Вольфке, сформулировавшего принцип двухступенного восстановления изображения объекта, при котором используется дифракционная картина, образуемая этим объектом. Свою идею Вольфке, как и Габор, сформулировал применительно к рентгеновским лучам и проверил на опыте в видимом свете. Соответствующие публикации появились в 1920 году. Они опирались на теоретические работы автора, выполненные между 1911 и 1914 годами, причем эти исследования опирались на труды знаменитого иенского оптика Эрнста Аббе и его теорию микроскопа. Вольфке указывает, что к идее восстановления изображения подходил в 1913 году и Э. Хупка. Еще раз, не зная о предшественниках, подобную идею высказал в 1938 году Х. Берш.
Все они были пионерами, далеко опередившими возможности и даже потребности своего времени.
Обезьяна иногда пользуется палкой – простейшим орудием. Но только человек научился рисовать. Современным людям живопись кажется оторванной от практики, она выступает лишь как эстетическая ценность. Но в далекой древности люди отождествляли изображение с объектом. Рисунки имели магический смысл. Рисунок, живопись явились первым методом описания, а отчасти и познания окружающего мира. Этому методу не хватает точности, свойственной математике, но он вне конкуренции по непосредственному воздействию на наши чувства, на наши мысли. Мы не знаем, как мозг распознает образы, но самая совершенная электронная машина не может пока и в слабой степени приблизиться в этом к мозгу. Несомненно, что именно рисунки постепенно стали основой пиктографической письменности, а потом превратились в иероглифы и, наконец, в буквы современных алфавитов. Нет, конечно, голография не заменит письменность. Но она позволит достичь наиболее компактной записи больших объемов информации... Есть еще одна очень интересная область, примыкающая к голографии. Некоторые физиологи предполагают, что процесс формирования образов в коре головного мозга в чем-то аналогичен образованию голограммы. В самом деле, мозг очень устойчив против повреждений. Создается впечатление, что запоминание образа происходит в нем не локально, не в определенных клетках, а глобально – все или большинство нейронов участвуют одновременно в этих процессах. И, отсекая отдельные участки коры головного мозга, мы не уничтожаем полностью какую-то часть запомненного, а лишь уменьшаем количество деталей. Ведь и в мельчайшем осколке голограммы хранится образ всего объекта, но чем меньше оставшийся кусок голограммы, тем менее подробно воспроизводится объект. Конечно, аналогия не означает тождества. Но какую-то часть истины исследователю она, несомненно, дает.
– Юрий Николаевич, – сказала я, – известно, что животные не воспринимают фотографии. Собака узнает голос хозяина, записанный магнитофоном, но не реагирует на его портрет. Как она отнесется к его голографическому изображению?
– Не знаю, проводил ли кто-либо такой, опыт. Не сомневаюсь, что собака узнает хозяина по его голограмме.
Ирина РАДУНСКАЯ
редактировал книгу : cavid7