Мудрость эксперимента - Борис Иванович Смагин

благодаря выпущенному из бутылки джину нелинейности. «Ну что же, и терпентин на что-нибудь полезен», — вслед за Козьмой Прутковым сказали физики. Зато во всех других областях своей обширной науки они тщательно соблюдали линейность, справедливо считая ее прибежищем классических принципов науки.

Бурные потрясения двадцатого века не могли оставить в покое линейность. Грандиозные скорости тел, мощные потоки частиц и излучений — вот с чем столкнулась некогда спокойная наука. Пошатнулись ее устои, и в образовавшуюся брешь проскользнули первые посланцы нелинейности.

Физика как серьезная экспериментальная наука началась когда-то с механики. И в сфере новых веяний механика также оказалась первой.

Как просто сформулировал великий Галилей принцип относительности движения, как изящно он выглядел математически, какая это была очаровательная линейность!

После трехсотлетнего неограниченного господства преобразований Галилея, являющихся математическим отображением принципа относительности, наступили смутные времена. Оказалось, что при больших скоростях движущихся тел простые линейные формулы Галилея уже не годны. Требуются серьезные поправки, зависящие от относительной скорости. Сказалась принципиальная нелинейность природы, скрытая до той поры. Новые, уже нелинейные уравнения, связывающие между собой координаты движущихся тел для разных систем отсчета, ввел Лоренц. Это и есть его знаменитые преобразования, предвосхитившие специальную теорию относительности Эйнштейна.

Затем под удар попала электродинамика. Нелинейной стала гидродинамика, когда познакомилась с быстротекущими жидкостями, где трение уже не было линейно связано со скоростью. Самолеты, штурмовавшие звуковой барьер, внесли расстройство в аэродинамику. Под грозный шум ударных волн нелинейность ворвалась в акустику, где впервые была реализована способность нелинейных эффектов накапливаться.

Физика новых процессов требовала подспорья математики, которая в бешеном темпе развивала оригинальные методы расчетов. Слово «нелинейность» стало чрезвычайно популярным.

И, наконец, в начале шестидесятых годов пал последний оплот, последняя цитадель «физической добропорядочности» — оптика. Правда, почти четыре десятилетия она уже находилась под угрозой вторжения нелинейности.

Ведь еще в 1936 году советский физик Сергей Иванович Вавилов наткнулся на довольно странное явление. Он убедился, что интенсивность света, пропущенного через ураниловое стекло, слегка увеличилась.

Обнаруженный Вавиловым эффект был одной из первых ласточек, извещавших о появлении новой науки — нелинейной оптики. Причем Вавилов указал на звезды, где, по его мнению, происходят подобные процессы. До звезд далеко, а для того, чтобы работать в земных лабораториях, Вавилову не хватало самого главного — в его руках не было мощного источника света.

Когда в начале шестидесятых годов зажегся свет первого лазера, нашествие нелинейности стало неотвратимым. Как сказал один ученый, теперь можно пересмотреть оглавление учебника оптики и дать нелинейные поправки к каждой главе.

Даже угол падения в нелинейных средах оказался отнюдь не равным углу отражения, а такое представление сложилось еще во времена Герона Александрийского, то есть в первом веке. Мощный лазерный луч в однородной жидкости проявил вдруг странную наклонность фокусироваться, сужаясь без всякой посторонней помощи до тончайшей нити. Появились и другие невероятные эффекты. Ученые увидели, что некоторые прозрачные среды, восприняв энергию лазерного потока, темнеют почти до полной непрозрачности, а другие, наоборот, просветляются. А световые лучи стали рождать новые цветовые сочетания.

Явления нелинейности обнаружены и в квантовой физике. Оказывается, в сильном световом поле атомы ведут себя, вопреки установленным ранее закономерностям, гораздо агрессивнее и могут захватывать по нескольку квантов. А сами фотоны — кванты света — получили возможность объединяться в своих ранее единоличных действиях.

Формула Эйнштейна, за которую он получил Нобелевскую премию, описывала энергетические соотношения при фотоэффекте, когда энергия кванта света тратится на преодоление сопротивления кристаллической решетки, удерживающей электрон, а избыток энергии передается этому электрону. Немощный квант, энергии которого не хватает для освобождения электрона из кристаллической решетки, заведомо ничего не мог сделать. Теперь в нелинейных средах, возбужденных мощными световыми лучами, кванты объединяются и общими усилиями разбивают оковы электрона.

Таким образом, во все законы классической и квантовой оптики нелинейность, обусловленная мощными потоками света, внесла свои коррективы.

Конечно, не следует думать, что произошло крушение оптики. Для ее обычных проявлений ничего, в сущности, не изменилось. И мы по-прежнему можем пользоваться принципом суперпозиции и всякого рода оптическими устройствами от очков до фотоаппаратов.

Но физикам, которым приходится работать с новыми источниками излучений (лазерами), нелинейность встречается на каждом шагу.

При всем многообразии нелинейных оптических эффектов вызваны они одним-единственным физическим процессом, имя которому — поляризация.

Под действием света любая прозрачная среда возбуждается — поляризуется. Электроны смещаются со своих мест, колеблются вместе со световой волной, в такт ей и переизлучают волну. Эта поляризация строго пропорциональна — линейна по отношению к внешнему световому полю.

Для мощных потоков света, проявляющих нелинейные свойства среды, отклик ее электронов уже не будет совпадать с падающей световой волной. Отклонение этой зависимости от прямой непосредственно связано с интенсивностью света. Электроны начинают личное активное «творчество», порождая излучения другой частоты, хотя и связанной с первоначальной простыми правилами арифметики.

Разнообразные технические возможности, предоставленные нелинейной оптикой, с лихвой компенсируют усложнение математических расчетов и появление различного рода непредвиденных эффектов. Да и для самих ученых возникло столько новых интересов, что, как говорится, глаза разбегаются!

Не-оптика

Путешествие в страну оптической нелинейности ограничилось для меня зданием физического факультета МГУ. Здесь, на Ленинских горах, расположился один из опорных пунктов новой науки, во главе которого в свое время стал заведующий кафедрой волновых процессов профессор Рем Викторович Хохлов, ныне академик, ректор МГУ, но по-прежнему увлеченный поклонник нелинейной оптики.

Стенная газета и научный бюллетень кафедры называются коротко и недвусмысленно «He-оптика», что, разумеется, означает «нелинейная оптика», но имеет и второй смысл, который достаточно быстро доходит до любого посетителя. Просто все, что он видит в лаборатории, коренным образом отличается от привычных представлений привычной для нас всех оптики. А здесь, конечно, «не-оптика».

Прежде всего меня встретила радуга, рожденная зеленым лучом аргонового лазера. Из зеленого света получились разноцветные концентрические окружности, плавно переходящие от одного оттенка к другому.

Не менее ошеломляющим было зрелище красного луча, выброшенного рубиновой лазерной пушкой. Он врывался в прозрачный сосуд и становился... белым. Цо ведь еще Ньютон убедительно доказал, что белый цвет сложный, он слагается из всех цветов радуги. Так отчего же красный луч, попав в сосуд со сжатым водородом, вдруг побелел? Что с ним произошло?

Подобных преображений прежняя оптика не знала, как, впрочем, не знала она и