Крушение парадоксов
Шрифт:
Однако нужно, чтобы делом занялся не эстет-архитектор, а любитель основательности, не гнушающийся сумрачной серости грунтов и обыденности фундаментов.
В нашей истории, к счастью, такой любитель нашелся. Молодой сотрудник лаборатории колебаний ФИАН, представитель четвертого поколения школы Мандельштама, Владимир Николаевич Луговой обратил внимание на известное всем тонкое место теории самофокусировки. В нем как в фокусе сошлись все варианты теории. Большинство авторов понимало трудности, возникавшие при попытке точно описать поведение лазерных лучей вблизи точки схлопывания. Понимали — и даже не пытались детально разобраться в том, что там происходит.
Из одних получалось, что по мере приближения к этой точке лучи, ранее изгибавшиеся к оси, постепенно начинали подходить к ней все более полого. В других теориях эти лучи выпрямлялись и входили в область, где теория теряла силу, так что продолжения всех лучей должны были бы сойтись в точке схлопывания, как в фокусе. В третьих... но не будем углубляться в различные варианты.
Во всех случаях оставалось совершенно неясным, как же лучи света ведут себя там, куда теоретики не могут проникнуть. Что с ними происходит дальше? Не берет ли дифракционная расходимость верх над нелинейными процессами там, где лучи сходятся слишком сильно? Не начинают ли сказываться какие-то еще не учтенные процессы?
Если лучи сходятся к оси все более полого, то сходятся ли они где-нибудь в точку или плавно переходят в тонкий канал, как думало большинство? Если же они, выпрямляясь, вонзаются в точку схлопывания, как в фокус линзы, то почему они не расходятся за фокусом? А может быть, они там вновь изгибаются и плавно входят в узкий канал? Или за фокусом лучи действительно расходятся, чтобы собраться вновь в следующем фокусе?
Эксперименты, впервые вполне уверенно произведенные Чао, Гармайр и Таунсом, обнаружили узкий канал, в который обращался луч, пройдя в среде именно тот путь, который предсказывала ему теория. Последующие опыты в большинстве случаев давали аналогичные результаты. Правда, в некоторых условиях возникали какие-то обрывки светящихся нитей, которые можно было толковать в пользу гипотезы периодически сужающихся каналов.
При очень больших мощностях картина чрезвычайно усложнялась. Вместо одного узкого канала возникало несколько, а иногда и множество таких нитей. Экспериментаторы ставили удивительные по тонкости замысла и исполнения опыты. Они наблюдали то, что никогда не пришло бы в голову ни Ньютону, ни Фарадею, ни Френелю — королям оптики. В те годы они и не помышляли о том, как глубок океан тайн света.
Но современных теоретиков все эти находки экспериментаторов не смутили. В нелинейных средах возможно и не такое. Теория убедительно показала, что уже на ранних стадиях фокусировки исходный пучок может распасться на несколько частей, тяготеющих к различным областям. В статьях замелькало магическое слово «неустойчивость». Действительно, из более точных уравнений следовало, что при очень больших мощностях пучки становятся неустойчивыми и стремятся распасться на отдельные нити. Казалось, все хорошо, но... что же все-таки происходило с пучками там, вблизи точек схлопывания?
Луговой не мог удовлетвориться общепринятым, основанным на опыте представлением о том, что там, безусловно, возникает узкий канал. Его не удовлетворяло это «безусловно», этот постулат, который нужно было принять на веру, как постулат о параллельности в геометрии Эвклида.
Свыше двух тысячелетий на этом постулате строилась геометрия, а затем и физика. До тех пор пока не нашлись люди, отказавшиеся принимать его на веру. Что будет, если отказаться от этого постулата, спросили
Но, может быть, его можно заменить другим, упорствовали критиканы. Попробуйте, соглашалась математика.
И они попробовали, Лобачевский и Риман. И создали две новые геометрии. Две неэвклидовы геометрии. Они работали независимо и, конечно, случайно избрали различные из двух существующих возможностей — параллельные линии в бесконечности сходятся или параллельные линии в бесконечности расходятся. Оба варианта столь же правомочны, как постулат Эвклида.
Теперь неэвклидова геометрия — полноправный отдел математики и надежный инструмент физики. Вселенная, изучаемая в огромных масштабах, не может быть описана при помощи эвклидовой геометрии. Вблизи больших масс отклонения от нее заметны и при сравнительно малых расстояниях. Это установил автор теорий относительности Эйнштейн, а затем убедительно подтвердил опыт.
Но если даже чисто геометрический постулат может оказаться лишь особым, частным случаем, то как можно примириться с постулатом в физической теории!
И Луговой сообщает о своих сомнениях тому же семинару, перед которым за пять лет до этого Аскарьян выдвинул идею самофокусировки и самоканализации света. Он обращает внимание на то, что приближенные аналитические методы, основанные на предположении о неизменной форме пучка, не могут дать правильной картины за точкой схлопывания. Он показал, что при распространении интенсивного светового пучка в нелинейной среде его форма существенно изменяется.
Статья Лугового, содержащая эти соображения и результаты, появилась в журнале «Доклады Академии наук СССР» в 1967 году. Но во всех экспериментальных работах, продолжавших появляться до следующего года, сообщалось о том, что за точкой схлопывания пучка наблюдается волноводное распространение света в виде очень тонких ярких нитей.
Только Прохоров поддержал своего молодого сотрудника. Он сам включился в эти исследования и привлек к ним А.Л. Дышко, специалистку по вычислительной математике. Раз приближенные аналитические методы оказались непригодными, пришлось призвать на помощь электронную вычислительную машину. Предстояла сложная трудоемкая работа.
Решили отказаться от каких-либо предвзятых предположений о судьбе пучка за точкой схлопывания. Машине были предложены уравнения, описывающие наиболее простую задачу: на плоскую границу вещества, о котором известно, что в нем наблюдается квадратичный эффект Керра, падает пучок света. Машина должна была определить, что будет происходить с ним по мере продвижения в глубь вещества.
Легко представить волнение, с которым исследователи ожидали результат, рождавшийся в электронных недрах вычислительной машины БЭСМ-6.
Проработав положенное время, машина сообщила: при этих условиях волноводного режима нет. За точкой схлопывания образуется некоторое число фокусов — областей с очень высокой концентрацией энергии и чрезвычайно малыми размерами.
Ответ в корне расходился не только со всеми вариантами существующих теорий, но и противоречил всем известным экспериментальным данным!
Было от чего прийти в уныние. Ведь они надеялись получить строгую и надежную картину перехода от постепенной самофокусировки через точку схлопывания к тонкой нити. Но ошибки не было. Уравнения верны, и машина сработала правильно.