Кванты и музы

Радунская Ирина Львовна

Полузабытый теперь нидерландский учёный Снеллиус впервые установил закон преломления света. Это была сенсация, потому что за этой формулой учёные гонялись много веков. И вот Снеллиус открыл (а Декарт подтвердил), что при переходе границы между двумя прозрачными средами падающий луч изламывается, давая начало лучу преломлённому. Первоначально учёные имели дело только с переходом света из воздуха в другую прозрачную среду или обратно. Угол между падающим и преломлённым лучами в этих случаях определяется только свойствами среды. Точнее, лишь её характеристикой, называемой показателем преломления. Великий Максвелл считал эту величину одной из важнейших постоянных и ввёл её в свои знаменитые уравнения.

Впрочем, уже

в то время опыт намекал, что показатель преломления не является постоянной величиной в полном смысле этого слова, а сохраняется только при определённых внешних условиях. Он изменяется с температурой и давлением, под действием электрического и магнитного полей. Это знали все мало-мальски знакомые с оптикой. В своё время учёные, интересовавшиеся оптикой в достаточной мере, выяснили, как зависит показатель преломления от внешних условий. Большинство до наших дней считало эти знания вполне достаточными.

Лазеры открыли широкий путь в область, в которую ещё не входил никто, кроме Вавилова и его учеников, в область нелинейной оптики. Да и они лишь вступили на её порог, только доказали реальность её существования, только почувствовали, что физические «постоянные», на которых многие законы покоятся как на прочном фундаменте, в этой неизученной области ненадёжны! «Постоянные» могут изменяться и при абсолютно неизменных внешних ус ловиях. Они должны каким-то образом зависеть от мощности самого света и чувствовать её изменения…

Интуиция вела Вавилова правильным путём, но она подсказывала ему прозрения, которые невозможно было доказать в те времена.

При жизни Вавилова источники света были столь маломощны, что требовалось всё огромное искусство и его, и сотрудников, чтобы продемонстрировать реальность таких процессов.

И вот положение в корне меняется. Мощность лазерного луча может быть столь велика, что от неё, если Вавилов прав, должен зависеть показатель преломления даже в неизменных условиях. Должен зависеть уже не только теоретически, но и реально. И это можно наблюдать, можно увидеть, как лазерный луч будет при известных условиях сам себя изгибать!

— Новые явления, порождённые мощностью и когерентностью лазерного луча, этим не ограничатся. На пути луча должны наблюдаться и другие отступления от френелевских законов распространения света, — размышлял Аскарьян…

Из законов Френеля следует, например, что никому не удастся получить совершенно параллельный пучок света, даже если попытаться вырезать середину у достаточно широкого пучка. В любой среде любые пучки света расширяются как лучи прожектора. Расширение пучков света не зависит от природы вещества. В пустоте оно такое же, как в любой прозрачной среде. И не зависит от интенсивности света. Значит, лазерный луч любой мощности также подвластен законам Френеля, как свет далёких звёзд?

Идея Аскарьяна состояла в том, что под действием мощных лучей лазеров в некоторых веществах должны возникнуть новые процессы, способные преодолеть расширение пучков света, которые будут бежать не расширяясь, а ещё более мощные — даже сжимаясь!

Допустим, лазерный луч действительно нарушает закон Френеля, требующий расходимости световых потоков. Высказать идею мало. Надо доказать её. Надо обнаружить механизм, позволяющий потоку лазерного света поступить иначе, чем имеют право поступать обычные световые лучи. Но с чего начать доказательство? Какой путь избрать? На чём остановились предшественники?

Около ста лет назад шотландский учёный Джон Керр открыл явление, обнаружить которое хотел ещё великий Ломоносов. В одной из своих программ Ломоносов писал: «Надо сделать опыт, будет ли луч света иначе преломляться в наэлектризованном стекле и воде?» Этого же безуспешно пытался достичь гений эксперимента — Фарадей.

Керр оказался удачлив, он установил, что преломление света в стекле радикально изменяется, если поместить

его между обкладками конденсатора, заряженного до высокого напряжения. Можно представить себе радость учёного, 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 ещё в 1670 году копенгагенский профессор Бартолин обнаружил расщепление лучей света — двойное лучепреломление. Тогда это было воспринято чуть ли не как фокус. Позже это явление 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 неравномерному нагреву. И вот ему, Керру, удалось получить двойное лучепреломление под действием электрического поля!

Но… настоящего учёного отличает прежде всего спо собность к самокритике. Впрочем, как и каждого настоящего человека, независимо от его специальности. Итак, 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, меняет свойства стекла: теперь они зависят от направления. Значит, необходимо ещё убедиться, действительно ли обнаружено новое явление — двойное лучепреломление в результате непосредственного влияния электрического поля — или в процессе участвует электрострикция.

Но Керр знал и другое. Электрострикция не способна вызвать двойное лучепреломление в жидкостях. Однако Керр нашёл жидкости, в которых наблюдается этот новый — электрооптический — эффект, вошедший в науку под названием явления Керра. Впоследствии Керр обнаружил, что двойное лучепреломление 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. Причём он увеличивается вместе с ростом интенсивности света. Это один из процессов, способных в соответствии с идеей Аскарьяна привести к компенсации расходимости световых пучков.

О своих соображениях Аскарьян рассказал на семинаре по квантовой электронике, происходящем в ФИАНе с участием большинства московских и многих иногородних специалистов, а затем опубликовал свои результаты в известном во всём мире «Журнале экспериментальной и теоретической физики».

Эта небольшая статья отличается характерным для Аскарьяна богатством и новизной содержания. В ней показа но, что явление имеет не только теоретическое, познавательное значение, но и чисто практическое, очень важное и перспективное. По мнению Аскарьяна, поперечную неоднородность поля интенсивного электромагнитного луча можно по желанию использовать для втягивания электронов и атомов к оси пучка или для выталкивания их наружу и таким способом сжимать газ. 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, её транспортировки, создания плазменных токопроводов. И, конечно, для создания волноводов и самофокусировки. Специалистам, работающим в наиболее сложных областях физики плазмы, это показалось чудом: будто бы обыкновенному смертному сообщили, что теперь можно ходить по морю словно по суше. Открывался мост в страну покорённой энергии плазмы!