Е Кнорре - Фантастика, ставшая явью

Научный обозреватель АПН Е. КНОРРЕ

комментирует последние работы

Физического института АН СССР

Фантастика, ставшая явью

Эволюция научной идеи обычно проходит по сложной трассе от пункта Этого Не Может Быть до пункта Это Уже Есть.

Но перед тем, как стать всеобщим достоянием, научная идея переживает своего рода инкубационный период - уже проверенная в эксперименте, она открывает широкий простор мечте. Мечте реальной, закономерно обусловленной. В этом отличие идеи научной от идеи просто фантастической, хотя иной раз фантастике н не угнаться за тем, что предоставляет людям наука.

Передача энергии без проводов, да еще с минимальными потерями, обработка материалов на больших расстояниях, дистанционное управление шахтами на дне моря, лаборатории, парящие в ионосфере и питаемые невидимым лучом, - все это, похожее на чистую фантастику, получает теперь реальную научную предпосылку. Как раз сейчас заканчивается инкубационный период идеи с довольно прозаическим названием "автоканализация световых пучков".

Лазерная техника потребовала решения многих экспериментальных и чисто технических задач, связанных с распространением очень мощного светового луча в среде. Как правило, любой луч, проходя в среде - по воздуху, воде, любому веществу, расширяется и образует на выходе расплывчатое пятно. И пятно это тем больше, чем большее расстояние пробежал луч. Изучая эти явления, старший научный сотрудник Института имени Лебедева АН СССР Г. А. Аскарьян пришел к неожиданному выводу. Оказалось, что при достаточно больших мощностях луч может резко изменить свойства среды внутри себя и "сам себя канализировать", обуздывать, "не давать себе расходиться". Аскарьян назвал открытый им эффект "самофокусировкой луча". Первая статья об этом была опубликована в 1962 году в "Журнале экспериментальной и теоретической физики". Так было положено начало.

Продолжая исследования, Г. А. Аскарьян и В. И. Таланов из Горьковского радиофизического института выяснили совсем уж фантастические явления. Оказывается, рассчитав особенности взаимодействия среды и луча, - а они зависят и от плотности сред, и от интенсивности луча, - можно так увязать между собой оптические свойства среды и энергию луча, что поток энергии либо создаст как бы собственный невидимый канал распространения - волновод, либо сфокусируется в точку, мгновенно высвободив всю свою энергию, как говорят физики, "схлопнется". Причем эту точку можно подобрать в любом желаемом месте - все зависит от расчета.

Обычная волоконная оптика позволяет осуществить передачу светового луча по сколь угодно искривленной траектории и без заметных потерь. Ведь стеклянное волокно - волновод, по которому распространяется свет, можно изогнуть самым причудливым образом.

Но волновод есть волновод. Он даже более неудобен, чем провод. Его тоже приходится протягивать через естественные препятствия, а уж летательный аппарат снабдить энергией с его помощью просто невозможно.

Эффект Аскарьяна давал возможность обойтись без всяких волноводов. Луч в определенных условиях создавал себе как бы невидимые волоконца и распространялся почти без потерь.

Суть этого явления в тонких взаимодействиях пучка фотонов с атомами среды. Световой луч, как известно, представляет собой электромагнитное поле. Это поле втягивает в себя и ориентирует определенным образом атомы, как, грубо говоря, поле магнита, ориентирует железные опилки. Это, конечно, лишь приблизительная аналогия. Нелинейные эффекты в среде описываются уравнениями высших порядков и не все из этих уравнении мы можем решить. Но суть дела от этого не меняется. Луч воздействует на атомы среды, которые образуют невидимый волновод, воздействующий на сам луч. Вот и получается в конечном итоге, что свет, радиоволны и другие электромагнитные излучения сами себя фокусируют.

Оригинальная идея не противоречила уже известным данным о тонких эффектах в средах. Поэтому она не вызвала возражений и сразу же заинтересовала ученых многих стран.

В СССР идею Аскарьяна развили Л. В. Келдыш из Физического института имени Лебедева, американские фимзики Ч. Таунс в Л. Келли.

Теоретики разработали другие возможные механизмы замечательного эффекта. Они выдвинули предположение, что сама среда может перемещаться в области наибольшей амплитуды светового поля. Перемещение возможно и в такой экзотической среде, как плазма, только в этом случае роль атомов берут на себя электроны. Правда, если атомы устремляются в амплитудные максимумы, то электроны предпочитают области, где колебания световых волн меньше, но суть от этого не меняется. Вызываемое высокочастотным полем световой волны перемещение и создает самофокусировку луча, как будто расставляя на его пути неисчислимые миллионы микроскопических линз.

Уточним теперь в двух словах уже нарисованную схему самофокусировки. Свет ориентирует определенным образом атомы обычных сред, или электроны плазмы. Сейчас мы можем сказать точнее: свет вызывает своего рода перемещение атомов к тем точкам пространства, в которых колебания световой волны особенно велики. Возможны и другие механизмы самофокусировки. Не говоря о них, упомянем лишь, что теоретики МГУ С. А. Ахманов, Р. В. Хохлов и Ю. П. Райзер рассчитали различные варианты взаимодействия светового луча со средой при самофокусировке.

В октябре 1964 года видный американский физик Ч. Таунс с сотрудниками опубликовал статью, в которой также пришел к выводу о принципиальной осуществимости самофокусировки. Через несколько месяцев физики МГУ поставили первый эксперимент. Н. Ф. Пилипецкий и А. Р. Рустамов пропустили лазерный луч через кюветы с жидкими углеводородами и во всех случаях был зарегистрирован эффект самофокусировки: луч при определенной величине энергии сходился в тонкую нить.

Вот как буднично свершилась вековая мечта человека о нерасходящемся луче света, о концентрированных лучах энергии, которые можно передавать на большие расстояния.

Развитие научной идеи похоже на путь реки, которая, начавшись с небольшого живительного родника, приемлет в себя воды соседних рек, разветвляется и, подходя к устью, захватывает в полноводное русло все большие и большие площади бассейна.

Совсем недавно Аскарьян теоретически доказал, что эффект самофокусировки свойствен не только электромагнитному полю, различным световым и радиоизлучениям, но также может наблюдаться у ультра- и гиперзвуковых волн, возбуждаемых мощными лучами лазеров в плотных средах. Это происходит из-за нагрева среды в самом звуковом луче.

А ведь что такое нагрев? Прежде всего увеличение энергии частиц, увеличение их колебаний. Если же такое увеличение происходит только в световом луче, то мы опять получим в нем некий канал с особыми свойствами. По такому каналу и устремляется звук, то есть возможен и другой эффект, когда звуковой луч фокусируется как бы "следами" светового луча. Здесь невидимый световод превращается в звуковод, отражающий звук на границах "следа".