Ирина Радунская - Кванты и музы

В нашей истории, к счастью, такой любитель нашёлся. Молодой сотрудник Лаборатории колебаний ФИАНа, представитель четвёртого поколения школы Мандельштама, Владимир Николаевич Луговой обратил внимание на известное всем тонкое место теории самофокусировки. В нём, как в одной точке, сошлись сомнения всех теорий. Большинство авторов понимали 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 приближёнными теориями. А они говорили разное.

Из одних получалось, что по мере приближения к этой точке лучи, ранее изгибавшиеся к оси, постепенно начинали подходить к ней всё более полого. В других продолжения всех лучей должны были бы сойтись в точке схлопывания, как в фокусе. В третьих теориях эти лучи выпрямлялись и входили в область, где теория теряла силу. Но не будем уг лубляться 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 берёт ли дифракционная расходимость верх над нелинейными процессами там, где лучи сходятся слишком сильно? Не начинают ли там преобладать какие-то ещё не учтённые явления?

Если лучи идут к оси всё 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 ним? 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 произведённые Чао, Гармайр и Таунсом, обнаружили узкий канал, в который обращался луч, пройдя в среде путь, предсказанный ему теорией. 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 тонких нитей.

Экспериментаторы ставили удивительные по ясности замысла 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 всё-таки происходило с пучками там, вблизи точек схлопывания?

Луговой не мог удовлетвориться общепринятым, основанным на опыте представлении 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 Евклида.

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 не принимать этот постулат, спросили они себя. Можно ли обойтись без него? Невозможно, ответила строгая математика. А они попробовали — Лобачевский и Риман. И создали две новые геометрии. Две неевклидовы геометрии. Они работали независимо и, конечно, случайно избрали различные из двух существующих возможностей — параллельные линии в бесконечности сходятся и параллельные линии в бесконечности расходятся. Оба варианта столь же правомочны, как постулат Евклида.

Теперь неевклидова геометрия — полноправный отдел математики и надежный инструмент физики. Вселенная, изучаемая в огромных масштабах, не может быть описана при помощи только евклидовой геометрии. Вблизи больших масс отклонения от неё заметны и при сравнительно малых расстояниях. Это установил создатель теории относительности Эйнштейн, а затем подтвердил опыт.

Но если даже чисто геометрический постулат может оказаться лишь частным случаем более общего явления, 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 приближённые аналитичес кие 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 привлёк к ним Дышко, специалистку по вычислительной математике. Раз приближённые аналитические методы оказались непригодными, пришлось призвать на помощь электронную вычислительную машину. Предстояла сложная трудоёмкая 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 нём 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, зреющий 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 не только в корне расходился со всеми варианта ми существующих теорий, но и противоречил всем известным экспериментальным данным.

Было от чего прийти в уныние. Ведь учёные надеялись получить строгую и надёжную картину перехода от постепенной самофокусировки через точку схлопывания к тонкой нити. Но ошибки не было. Уравнения верны, и машина сработала правильно.