Кванты и музы
Шрифт:
Среди множества вопросов, преследовавших Аскарьяна, к теме нашего рассказа относится один: что будет, если луч лазера попадёт в прозрачную для него среду? Природа среды неважна, существенна прозрачность. Не должно быть потерь энергии. Они только затуманят ответ на вопрос, который пытался дать ещё академик Вавилов, — как влияет вещество на свет, если мощность света велика? Тогда он не был ясным — не существовало столь мощных источников света, как сегодняшний лазер.
Размышления. Сопоставления, казалось бы, далёких фактов. Наскоро написанные и зачёркнутые формулы. Уныние и надежда… И вдруг озарение. Вывод, от которого отскакивают
На этот раз он означал: должно существовать множество прозрачных веществ, в которых лазерный луч не будет расходиться, как расходятся лучи света от прожектора, фонаря. Не будет, хотя этого следовало бы ожидать на основе бесспорной теории Френеля.
Нет, Аскарьян не думал опровергать её. Он в ней не со мневался. Просто понял, что в наш лазерный век изменились условия. На авансцене появились новые источники света, новые взаимодействия и силы, совсем незнакомые Френелю. Надо было приучить себя к мысли, что в век новой оптики надо быть готовым к новым явлениям.
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.