Крушение парадоксов

Измерения показали, что эти импульсы возникают точно через интервалы, нужные свету для того, чтобы пройти от полупрозрачного зеркала через активное вещество к глухому зеркалу и обратно. Длительность каждого из них составляла несколько пикосекунд, несколько единиц, умноженных на 10–12 секунды! Всем было ясно, что явление, обнаруженное в этих опытах, возникает потому, что отдельные типы колебаний, излучение которых участвует в просветлении красителя, оказываются связанными между собой. Связь возникает вследствие их совместного взаимодействия с красителем. Это самофазировка, — определяют явление физики, — и она отличается от принудительной фазировки, получающейся в результате периодического изменения потерь резонатора, применявшегося ранее для получения коротких импульсов.

Единственным огорчением Де Марии было то, что полученные им импульсы имели малую энергию. И тем не менее, несмотря на малую энергию каждого отдельного импульса, в опыте Де Марии она составляла лишь сотые или даже тысячные доли джоуля, малая длительность обеспечивала огромные мгновенные мощности, достигавшие миллиардов ватт.

Пропустив эти импульсы через лазерный усилитель, Де Мария еще больше увеличил их мощность. А вскоре Басов с сотрудниками достигли таким путем рекордной мощности в тысячу киловатт. Один из любителей обобщений пришел к выводу, что после создания лазеров в 1960 году мощность генерируемых ими импульсов света возрастала ежегодно примерно в десять раз! Сколь долго будет продолжаться этот рост?

Вмешательство теоретика

Лазер, дающий ультракороткие сверхмощные импульсы света, этот феномен современной физики, стал объектом детального экспериментального и теоретического исследования во многих лабораториях. Он был загадкой и в теоретическом отношении, и в отношении тех возможностей, которые таились в его сдерживаемой мощи, выбрасываемой внезапно, как яд жалящей змеи.

В течение двух лет после того, как Де Мария открыл явление образования пикосекундных импульсов и выявил его основные черты, постепенно сформировалась и стала общепринятой весьма наглядная точка зрения на процесс образования этих импульсов.

Считалось, что в результате взаимодействия нескольких простейших типов колебаний лазера при участии просветляющегося красителя образуется импульс света длительностью в несколько наносекунд. Такой процесс был хорошо изучен для случая периодического изменения потерь, с которым мы уже знакомы. Казалось ясным, что дальнейшее сжатие этого импульса до пикосекундной длительности осуществляется в результате многократного прохождения импульса через краситель.

Однако эта простая и наглядная точка зрения встречалась с рядом трудностей. Летохов при помощи тщательных расчетов показал, что общепринятая точка зрения на механизм сжатия наносекундных импульсов недостоверна. Таким путем его длительность может уменьшаться лишь в 10...20 раз, а не в тысячи раз, как это наблюдается в действительности. Если общепризнанный механизм не способен превратить наносекундные импульсы в пикосекундные, нужно искать дальше. Следует еще раз проанализировать все детали опыта, особенно те, которые не вошли в общепринятую теорию, но влияют на результат.

Теоретик, который активно участвует в интересующих его экспериментах, — это большая удача для лаборатории. То, что большинство экспериментаторов считает само собой разумеющимся, не заслуживающим внимания, а тем более упоминания в докладе и статье, вызывает у Летохова особый интерес. Так у него возникает очередная догадка, очередной вопрос. Вопрос, который не может возникнуть у самого гениального теоретика, если он судит об эксперименте лишь по публикациям, в которые из-за недостатка места многие подробности не попадают.

Экспериментаторы знали, что любое лишнее препятствие, приводящее к отражению света внутри резонатора в направлении его оси, ухудшает условия образования пикосекундных импульсов. Знали — и устраняли все, что может им помешать. И не задумывались над тем, почему вредны именно отражения, а не поглощения света, не потери энергии. Так поступают многие. И не по лености ума. Нет, все их силы направлены на достижение цели. Они способны для этого преодолеть любые препятствия. Им просто некогда отвлечься от решения очередной задачи, от преодоления очередной каверзы матушки-природы. И что им до того, что лишняя отражающая поверхность внутри резонатора вместе с его зеркалами образует оптический фильтр, обрезающий и подавляющий многие простейшие типы колебаний. Выбрасывающий их из игры. Выбрасывающий! А они нужны для образования пикосекундных импульсов! Ведь не из прихоти экспериментаторы борются с лишними отражениями. Суровая необходимость заставляет их устранять все, что может играть роль фильтра, фильтра, уменьшающего количество типов колебаний, одновременно участвующих в работе лазера. В чем же их роль?

Итак, не упускают ли экспериментаторы, борющиеся с отражениями, чего-то весьма существенного? Может быть, они, подобно герою Мольера, не знают о том, что говорят прозой!

Нужно вернуться обратно. К азам. Заново продумать процесс генерации лазера... Все в нем очень просто. Вспышка лампы накачки возбуждает активное вещество. Многочисленные типы колебаний резонатора независимо обеспечивают замыкание соответствующих каналов обратной связи. И в резонаторе возникают многочисленные независимые лазеры, каждый из которых, то вспыхивая, то затухая, излучает свои пички света, хаотически складывающиеся в то, что мы воспринимаем как лазерный импульс.

Хаос... Он не подвластен ни механике Ньютона, ни уравнениям Максвелла, ни теории относительности. Как разобраться в нем? Как усмирить, покорить? Однако и на него есть управа. Статистика. Она помогает понять безумие экономики. Направляет работу биологов. К услугам физиков она предоставляет свою дочь — статистическую физику. Ее и призвал на помощь Летохов.

Вот что она сказала ему.

При случайном наложении множества простейших типов колебаний в лазере возникают короткие всплески излучения со случайными длительностями и случайными амплитудами. Если в этом участвует десять-двадцать простейших типов колебаний, всплески не могут быть короче нескольких наносекунд. Но когда в игре случайностей участвуют сотни колебаний, могут родиться пикосекундные импульсы. Причем их амплитуды будут заметно больше остальных.

Вот решение загадки! Тщательно устранив все отражения, используя хорошие активные элементы, можно обеспечить рождение сотен типов колебаний. Образуемые ими по воле случая пикосекундные импульсы скорее других прожигают путь через кювету с красителем, вызывают лавину генерации и, постепенно усиливаясь и укорачиваясь, раз за разом пробегают по резонатору, выплескиваясь через полупрозрачное зеркало в виде регулярной цепочки сверхкоротких импульсов.

Эксперимент, специально проведенный в ФИАНе при участии Басова и Летохова, подтвердил, что сверхкороткие импульсы действительно возникают до просветления красителя, а затем происходит их дополнительное сжатие и усиление.

Эта работа всколыхнула и теоретиков и экспериментаторов. Начались повторения опыта, уточнение результатов, соперничество умозаключений.

Планы

Вскоре Дж. Флек-младший прямыми численными расчетами подтвердил статистический механизм генерации ультракоротких импульсов. Кажется, все. Еще одна победа. Пора поставить точку и перейти к другой теме. Но время еще не настало. Басов, Летохов и их сотрудники хотят выжать все возможности из раскрытия тайны формирования сверхкоротких импульсов. Они увидели две новые возможности.

Вот первая. Она основана на весьма простом соображении. Лазер, который генерирует пикосекундные импульсы благодаря применению просветляющегося красителя, не вполне подвластен человеку. Действительно, момент просветления наступает по воле случая в результате сложной комбинации неуправляемых процессов. Все зависит от того, как развивается электрический разряд в лампе-вспышке, как накапливается энергия в активном элементе, как складываются между собой многочисленные типы колебаний, наконец, как проходит процесс обесцвечивания красителя.

Нужно подчинить себе главные этапы процесса. Подавить влияние случайности. Пусть раствор красителя будет столь концентрирован, чтобы самый интенсивный из импульсов, возникающих поводе случая в активном элементе, не мог его просветлить. Тогда, несмотря на действие лампы накачки, генерация не начнется.

Это лишь первый шаг. Теперь во время вспышки лампы накачки направим в активное вещество короткий импульс от вспомогательного лазера, достаточно интенсивный для прожигания красителя. Импульс откроет путь лавине фотонов, и она, раз за разом проходя через активное вещество, освободит всю запасенную в нем энергию, превратив ее в последовательность из нескольких мощных сверхкоротких импульсов.

Басов и его сотрудники построили такой лазер. Он состоял из, двух частей — лазера, дающего пикосекундные импульсы с энергией от 10–3 до 10–2 джоуля, и затвора, пропускающего во вторую часть установки только один из этих импульсов. Вторая часть представляла собой, по существу, лазерный усилитель бегущей волны. Его активный элемент располагался в одной из сторон треугольника, образованного тремя зеркалами. Рядом с ним помещалась и кювета с раствором красителя, достаточно концентрированным для того, чтобы полностью исключить возможность самовозбуждения усилительного каскада.

Но как только сверхкороткий импульс, поступавший из первой части установки, просветлял краситель, он, этот маломощный импульс, пять-семь раз обегал треугольник, образованный зеркалами, и выкачивал из активного элемента всю запасенную в нем энергию. Измерения показали, что полная энергия цуга из полученных таким образом пяти или семи сверхкоротких импульсов составляла 18 джоулей. А величина энергии импульса при этом увеличивалась в несколько сот раз!

Установка оказалась рекордной для своего времени. Но в запасе у фиановских физиков есть еще пока не реализованные возможности.

Глава V. Против течения

Что будет, если...

Привычка... Есть ли в мире что-нибудь прочнее привычки? Впрочем, может быть, с ней поспорит доверие к авторитетам. Недаром столько нелепиц тысячелетия слыли истинами только потому, что таково мнение Аристотеля.

Века и века луч света был символом прямизны. Понадобилось мужество Френеля и его уверенность в мощи математики, чтобы признать за светом способность огибать препятствия. Но ученейшие из ученых — члены Французской академии наук — ему не поверили. И выдвигали очевиднейшие опровержения, основанные на многовековом опыте.

Из формул Френеля следовало, что за непрозрачным экраном область тени не появляется внезапно. Как бы набираясь сил, она возникает тонкими полосками, повторяющими контуры экрана и перемежающимися со все более слабеющими линиями света. Все знали, что это предсказание противоречит очевидным фактам. Более того, этот опальный инженер, изгнанный со службы во время наполеоновских Ста дней, этот физик-самоучка, по существу, предсказывал, что за отверстием в непрозрачном экране свет должен перемежаться с темнотой. Такого никто никогда не видел, и все были уверены, что так не может быть.

Рассудил опыт, который к тому времени уже утвердился в качестве высшего авторитета в науке. Но не безликий и безымянный «многовековый», а специально поставленный Френелем вместе с французским физиком Арго, простой, наглядный и доступный каждому, по крайней мере каждому студенту университета. И нехитрый опыт, и волновая теория Френеля вошли в золотой фонд науки. Их не опровергли, а лишь дополнили труды многих поколений ученых. Темперамент, по-видимому, более чем что-либо другое, определяет, займется ли человек развитием, дополнением, уточнением чужих результатов или ему предстоит выдвигать и отстаивать свои собственные новые идеи.

Не успел Гурген Ашотович Аскарьян по-настоящему акклиматизироваться в Физическом институте АН СССР имени Лебедева, как его новые друзья поняли — такой не удовлетворится развитием и уточнением. Вопрос: «Что будет, если?..» — не возникал у него только тогда, когда к данному случаю лучше подходил вопрос «почему?». А правильно поставленный вопрос — это половина ответа. И Аскарьян не успокаивался, пока не находил вторую половину.

Среди множества вопросов, преследовавших Аскарьяна и многих, на которые ему удалось найти ответ, к теме нашего рассказа относится такой: что будет, если луч лазера попадет в прозрачную для него среду? Природа среды неважна, существенна прозрачность. Не должно быть потерь энергии. Они только затуманят вопрос, восходящий еще к академику Вавилову: как влияет вещество на свет, если мощность света велика?

Размышления... Сопоставления, казалось бы, далеких фактов... Наскоро написанные и зачеркнутые формулы... Уныние и надежды... И вдруг озарение. Всегда вдруг. Вывод, от которого отскакивают все возражения.

На этот раз ответ гласил: должно существовать множество прозрачных веществ, в которых лазерный луч не будет расходиться, как следовало бы ожидать на основе бесспорной теории Френеля.

Нет, Аскарьян не думал опровергать теорию Френеля. Он не сомневался в ней. Просто он понял, что в наш лазерный век условия изменились. На авансцене появились новые силы, совсем незнакомые Френелю. Силы, бывшие в то время второстепенными, вышли на первый план.

Давно забытый астроном Снеллиус установил закон преломления света. При переходе границы между двумя прозрачными средами падающий луч изламывается, давая начало преломленному. Первоначально ученые имели дело только с переходом света из воздуха в другую прозрачную среду или обратно — из такой среды в воздух. Угол между падающим и преломленным лучами в таких случаях определяется только свойствами среды. Точнее, лишь одной ее характеристикой, называемой показателем преломления.

Великий Максвелл считал эту величину одной из важнейших постоянных и ввел ее в свои знаменитые уравнения. Впрочем, уже в то время было известно, что показатель преломления не является постоянной величиной в полном смысле слова. Для каждого вещества он неизменен только при определенных внешних условиях. Он изменяется с температурой и давлением, под действием электрического и магнитного полей. Это знали все мало-мальски знакомые с оптикой. В свое время ученые, интересовавшиеся оптикой, в достаточной мере выяснили, как зависит показатель преломления от внешних условий.

В неведомое

Аскарьян знал, что лазеры открыли широкий путь в область, в которую еще не входил никто, кроме Вавилова и его учеников, — в область нелинейной оптики. Да и они лишь вступили на ее порог, только доказали реальность ее существования. В этой неизученной области «постоянные» величины изменяются даже при абсолютно неизменных внешних условиях. Они зависят от мощности самого света, и остро чувствуют его изменения.

Правда, при жизни Вавилова источники света были столь маломощны, что потребовалось все его искусство, чтобы продемонстрировать реальность таких процессов.

Но теперь положение в корне изменилось. Мощность лазерного луча может быть столь велика, что от него должен зависеть показатель преломления. А раз так, лазерный луч должен при известных условиях сам себя изгибать!

«Прежде всего это должно выявиться, — думал Аскарьян, — в отступлении от френелевских законов распространения света».

Из законов Френеля следует, что в оптике многое, кажущееся совсем простым, совершенно недостижимо. Например, никому не удастся получить совершенно параллельный пучок света, вырезав при помощи узкого отверстия середину почти параллельного пучка. Если первоначальный пучок выходил из широкого отверстия, то трудно установить, параллелен он или нет. Но если отверстие, при помощи которого вырезается узкий луч, достаточно мало, то установить не параллельность выходящего из него луча не составляет труда. Нужно лишь отойти достаточно далеко от отверстия.

Настоящая наука не терпит таких неопределенных понятий, как «достаточно». В этом случае, конечно, существует вполне определенное расстояние, на котором не составляет труда обнаружить расплывание света поперек пучка. Для него существует даже специальное название — «дифракционная длина». И если размеры отверстия увеличить вдвое, она возрастает в четыре раза.

Дифракционное расширение пучков света не зависит от природы вещества. В пустоте оно таково же, как в любой прозрачной среде. И оно не зависит от интенсивности света. Лазерный луч любой мощности так же подвластен законам Френеля, как свет далеких звезд.

Идея Аскарьяна состояла в том, что под действием мощных лучей лазеров в некоторых веществах должны возникнуть новые процессы, способные преодолеть дифракционное расширение пучков света. В таких веществах мощные пучки света должны бежать не расширяясь, а еще более мощные должны даже сжиматься! Любой из процессов, приводящих к увеличению показателя преломления вещества, по мере возрастания интенсивности света может в конце концов побороть утечку энергии из пучка, вызванную дифракцией.

Около ста лет назад шотландский ученый Джон Керр открыл явление, обнаружить которое хотел еще 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 установил, что преломление света в стекле радикально изменяется, если поместить его между обкладками конденсатора, заряженного до высокого напряжения. Можно представить себе радость ученого, 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 еще в 1670 году копенгагенский профессор Эразм Бартолин обнаружил расщепление лучей света — двойное лучепреломление.

Тогда это было воспринято чуть ли не как фокус. Позже его 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 их неравномерному нагреву. И вот ему, Керру, удалось получить двойное лучепреломление под действием электрического поля!

Но... настоящего ученого отличает прежде всего способность к самокритике. Впрочем, эта способность отличает каждого настоящего человека независимо от его специальности. 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, делает свойства стекла зависящими от направления. Значит, необходимо еще убедиться, действительно ли обнаружено новое явление — появление двойного лучепреломления в результате непосредственного влияния электрического поля — или в процессе участвует электрострикция.

Но Керр знал и другое. Электрострикция не способна вызвать двойного лучепреломления в жидкостях. Значит, надо повторить опыт в жидкости. И Керр нашел жидкости, в которых наблюдается этот новый эффект, электрооптический эффект, вошедший в науку под названием явления Керра. Впоследствии Керр обнаружил, что появление двойного лучепреломления 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. Причем показатель преломления увеличивается вместе с ростом интенсивности света. Это один из процессов, способных в соответствии с идеей Аскарьяна привести к компенсации дифракционной расходимости световых пучков.

История и география

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

Эта небольшая статья отличается столь характерным для Аскарьяна богатством и новизной содержания. В ней показано, 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 создавать таким способом сжатие или разрежение газа. 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, для транспортировки плазмы, для создания плазменных токопроводов. И конечно, для создания волноводов и самофокусировки...

Для многих специалистов, работающих в наиболее сложных областях физики плазмы, это прозвучало так, как если бы обыкновенному смертному сообщили, что теперь можно ходить по морю как посуху.

В 1963 году в тоненькой книжечке журнала «Письма ЖЭТФ» Н.Ф. Пилипецкий и А.Р. Рустамов сообщили о первом экспериментальном наблюдении нового явления — самофокусировке световых лучей. В их опытах были фотографически зарегистрированы тонкие светящиеся нити в жидкостях, через которые проходил предварительно сфокусированный луч рубинового лазера. В наши дни эффект самофокусировки проявляется в большинстве опытов, связанных с прохождением гигантских импульсов света лазеров через жидкости. Эффект можно наблюдать и в газах, и в твердых телах.

Новый эффект требовал и теоретического анализа. Первым рассчитал профиль светового пучка, самоканализирующегося под влиянием высокочастотного эффекта Керра, молодой физик из Горького, теперь уже профессор, В.И. Таланов.

Таланов принадлежит к третьему поколению замечательной советской школы физиков, основанной академиками Мандельштамом и Папалекси. Эта школа прославила нашу страну замечательными трудами и крупнейшими открытиями в области нелинейной теории колебаний, радиофизики, оптики и многих других сфер науки. Ко второму поколению этой школы принадлежат такие выдающиеся ученые, как академики А.А. Андронов и М.А. Леонтович. В ее третье поколение входят академики А.В. Гапонов, В.Л. Гинзбург, а также создатели квантовой электроники академик А.М. Прохоров и академик Н.Г. Басов, начинавший свою научную работу под руководством Прохорова, но бывший первоначально учеником академика И.Е. Тамма, сотрудника Мандельштама.

Пусть читатель простит меня за этот экскурс в научную генеалогию. Она здесь совсем не излишня.

А теперь ненадолго перейдем к истории и упомянем о географии.

В годы первой пятилетки наш народ начал поход за большой наукой. Расширялись старые научные центры, создавались новые. Один из них был заложен на Волге, в старом промышленном городе Горьком. Школа Мандельштама послала туда крепкое ядро. В него вошли талантливые молодые физики А.А. Андронов, Г.С. Горелик, М.Т. Грехова и другие. Они поддержали и умножили традиции школы. И, в свою очередь, вырастили поколение учеников. К ним относится и Таланов.

Прежде чем заняться теорией самоканализирующихся световых пучков, Таланов успел внести существенный вклад в нелинейную теорию колебаний и в теорию распространения электромагнитных волн. Самоканализация электромагнитных волн — один из типичных примеров того, как нелинейности определяют наиболее существенные явления. Здесь Таланов был во всеоружии. Его теория была построена для распространения интенсивного пучка электромагнитных волн в плазме. Но в ней полностью содержалась основная картина — формирование волноводного канала в любой среде, где канал может поддерживаться действием самого поля. Впоследствии он разработал весьма общую теорию этого явления, получил ряд новых важных результатов. Но о них позже. Теперь мы должны пересечь океан.

В том же году, когда появилась работа Таланова, в журнале «Письма в Физические обозрения», печатающем только те статьи, которые и автор и редактор считают срочными, появилась статья Р. Чао, Е. Гармайр и Ч. Таунса «Самофокусировка луча оптического мазера». Американский физик Таунс, один из творцов квантовой электроники и мазера, не применяет слова «лазер», предпочитая ему сочетание «оптический мазер». Не наше дело обсуждать терминологические споры. Мне, как и другим непосвященным, они кажутся лишенными глубокого смысла. Ведь лазер и оптический мазер означают точно одно и то же. Возможно, здесь играют роль вопросы престижа или более глубокие мотивы.

Статья начиналась так: «Ниже мы рассмотрим условия, при которых электромагнитный луч создает себе диэлектрический волновод и распространяется не дифрагируя». Авторы не знали о работе Аскарьяна, но позднее, узнав о ней, признали его приоритет. В отличие от Таланова, рассмотревшего в своей первой работе лишь движение электромагнитной волны в плоском канале, они рассчитали цилиндрический канал, возникающий в подавляющем большинстве опытов с лазерами. Их короткая статья содержит глубокое и ясное рассмотрение физической сущности двух процессов, способных вызвать самофокусировку и канализацию света, — электрострикции и керр-эффекта.

Таунсу и его сотрудникам удалось рассчитать, при какой мощности, в каких условиях будет подавлена дифракционная расходимость луча и он окажется захваченным в канал. Правда, значение критической мощности было вычислено только при учете электрострикции. Существенным ограничением явилось и то, что математические вычисления относились только к состоянию, при котором луч уже захвачен в канал. Как это произошло и возможен ли вообще процесс захвата, осталось за пределами математического рассмотрения.

Статья Таунса с сотрудниками стимулировала целый ряд исследований. П. Келли, по-видимому, первым рассмотрел процесс схлопывания первоначально параллельного пучка света и установил, на каком расстоянии после вхождения света в нелинейную среду происходит самофокусировка. Интересно, что, указывая на своих предшественников, Келли располагает их в таком порядке: Аскарьян, Таланов, Таунс с сотрудниками.

Келли получил свои главные результаты при помощи численных расчетов. Вскоре Таланов, а затем сотрудники Московского государственного университета С.А. Ахманов, А.П. Сухорукое и Р.В. Хохлов опубликовали аналитическое решение той же задачи. Однако приближенные методы, которые пришлось применить для решения этой весьма сложной задачи, теряли силу вблизи точки схлопывания. Численное решение Келли тоже не говорило ничего о том, что же происходит с пучком вблизи точки схлопывания и за ней. Мнение, высказанное впоследствии Келли, а также Талановым, таково: лазерный луч за точкой схлопывания переходит в очень тонкую и чрезвычайно интенсивную световую нить. То же писали Таунс и другие. Лишь Хохлов и его товарищи из МГУ допускали, что за точкой схлопывания возможно образование более сложного и узкого своеобразного световода, подобного нити с периодически изменяющимся поперечным сечением.

Все последующие теоретические работы исходили из того, что за точкой схлопывания возникает волноводный режим распространения света. Все они были посвящены уточнению отдельных деталей, повышению строгости математических выкладок, уточнению расчетов.

Все, решительно все экспериментальные работы тех лет подтверждали предсказание теории. В них сообщалось о том, что за точкой схлопывания наблюдается волноводное распространение света в виде очень тонких нитей. Экспериментаторы соревновались в уточнении мельчайших подробностей, изучении разнообразных частных случаев, в увеличении точности измерений.

Все сходились на том, что эта область квантовой электроники в основном завершена. Были написаны итоговые статьи и монографии. Интересы исследователей постепенно перемещались в другие области науки.

Тонкое место

Как это часто бывает, благополучие и рутина чреваты катаклизмами. Они тем неожиданнее, чем более основательным кажется возведенное здание. Но катаклизмы безошибочно указывают, что под фундаментом нет достаточно надежной основы. Хорошо, если слабина своевременно обнаружена. Ее можно ликвидировать и продолжать украшать и наращивать башни.

Однако нужно, чтобы делом занялся не эстет-архитектор, а любитель основательности, не гнушающийся сумрачной серости грунтов и обыденности фундаментов.

В нашей истории, к счастью, такой любитель нашелся. Молодой сотрудник лаборатории колебаний ФИАН, представитель четвертого поколения школы Мандельштама, Владимир Николаевич Луговой обратил внимание на известное всем тонкое место теории самофокусировки. В нем как в фокусе сошлись все варианты теории. Большинство авторов понимало 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 приближенными теориями. А приближенные теории говорили разное.

Из одних получалось, что по мере приближения к этой точке лучи, ранее изгибавшиеся к оси, постепенно начинали подходить к ней все более полого. В других теориях эти лучи выпрямлялись и входили в область, где теория теряла силу, так что продолжения всех лучей должны были бы сойтись в точке схлопывания, как в фокусе. В третьих... но не будем углубляться 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 берет ли дифракционная расходимость верх над нелинейными процессами там, где лучи сходятся слишком сильно? Не начинают ли сказываться какие-то еще не учтенные процессы?

Если лучи сходятся к оси все 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 фокусом? 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 произведенные Чао, Гармайр и Таунсом, обнаружили узкий канал, в который обращался луч, пройдя в среде именно тот путь, который предсказывала ему теория. 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 таких нитей. Экспериментаторы ставили удивительные по тонкости замысла и исполнения 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 все-таки происходило с пучками там, вблизи точек схлопывания?

Луговой не мог удовлетвориться общепринятым, основанным на опыте представлением 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 Эвклида.

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 отказаться от этого постулата, спросили они себя. Можно ли обойтись без него? Невозможно, ответила строгая математика.

Но, может быть, его можно заменить другим, упорствовали критиканы. Попробуйте, соглашалась математика.

И они попробовали, Лобачевский и Риман. И создали две новые геометрии. Две неэвклидовы геометрии. Они работали независимо и, конечно, случайно избрали различные из двух существующих возможностей — параллельные линии в бесконечности сходятся или параллельные линии в бесконечности расходятся. Оба варианта столь же правомочны, как постулат Эвклида.

Теперь неэвклидова геометрия — полноправный отдел математики и надежный инструмент физики. Вселенная, изучаемая в огромных масштабах, не может быть описана при помощи эвклидовой геометрии. Вблизи больших масс отклонения от нее заметны и при сравнительно малых расстояниях. Это установил автор теорий относительности Эйнштейн, а затем убедительно подтвердил опыт.