Борис Смагин – Мудрость эксперимента (страница 16)

Мы сидим вдвоем в теплой уютной комнате. Убаюкивающе выдает свои двенадцать импульсов в секунду лампа накачки неодимового лазера. На окнах плотные шторы. Привычная обстановка нелинейных лабораторий.

У каждого раздела физики существует свой собственный аромат, свой антураж, столь же неповторимый, как и смысл научных исследований, для которых он уникален.

Со времен Ньютона оптические лаборатории отличает величественная тишина. Поскольку один из главных приборов по сей день — глаз экспериментатора, комнату оберегают от лишнего света. Но источники излучения, конечно, не времен Ньютона. Они принадлежат целиком нашему времени.

Лазерная революция преобразила не только существо оптики, она внесла свои коррективы и во внешний облик лабораторий. И тишины теперь нет и в помине, и обстановка другая. Работают мощные импульсные лазеры, хлопают их затворы, лабораторию озаряют слабые вспышки, и пылинки воздуха высвечивают прямую линию лазерного луча.

В этой комнате занимаются спектроскопией — почтенной, родившейся еще в девятнадцатом веке, ветвью оптики.

Измерения проводит кандидат физико-математических наук Николай Коротеев.

Сначала луч неодимового лазера, преображенный нелинейным кристаллом из невидимого в зеленый, раздваивается на полупрозрачном зеркале. Путь одного из его «потомков» — внутрь прозрачного сосуда, где находится органическое соединение — бензол, подвергаемый анализу. Второй зеленый луч вызывает желтое свечение — люминесценцию сосуда с жидкостью, расположенного на его пути. Так рождается третий луч, состоящий уже из множества частот. А Коротееву нужна лишь одна частота, одно излучение, монохроматическое, чего он и добивается манипуляциями с зеркалами. Очистка луча от всех сопутствующих — результат второй встречи с нелинейностью.

После этого начинается священнодействие — все три луча, два зеленых и один желтый, попадают внутрь сосуда с бензолом. На экране большого фотоумножителя появляются полосы — свидетели того, что происходит в бензоле под воздействием лучей. Так третий раз проявляется нелинейность — теперь как перспективное направление активной спектроскопии.

Я медленно кручу ручки прибора. И на темном фоне одна за другой вспыхивают тонкие линии, каждая из которых несет свою долю информации.

Активная спектроскопия — новый метод исследований, родившийся на кафедре МГУ, но основа его — комбинационное рассеяние света, открытие которого связано было с именами замечательных советских физиков академиков Л. И. Мандельштама и Г. С. Ландсберга.

Смысл явления заключается в том, что световую волну, попавшую внутрь вещества, немедленно окружают дополнительные вспышки света других частот — сателлиты. Они появляются в результате взаимодействия светового луча и различного рода неоднородностей, а также тепловых и упругих колебаний вещества. Луч как бы спотыкается на них и обрастает маленькими световыми вспышками. Возникшие сателлиты несут богатую информацию о внутренней жизни испытуемого тела, скажем, о структуре кристаллической решетки, о поведении молекул жидкости и тому подобное.

Плохо одно — сателлиты в сотни миллионов раз слабее вызвавшей их световой волны. Регистрировать едва заметный свет очень трудно. Физики МГУ нашли выход из этого положения. Их метод не зря называется активной спектроскопией. За работу взялись сразу три луча.

Два из них — желтый и зеленый — заставляют проявляться колебания молекул вещества, как бы раскачивают их, попадают в резонанс. А третий луч рассеивается на этих, уже ставших сильными, колебаниях. И появляющиеся сателлиты достигают вполне солидных размеров. Я, например, их ясно вижу.

И еще одно преимущество нового способа приоткрыть завесу, закрывающую внутренний мир молекул вещества. Желтый луч может «примерить» целую серию частот. Не зря ведь Коротеев поворачивает зеркала... Тем самым качественно меняется «инструмент», и новые объекты наблюдений попадают в сферу его деятельности.

Так появилась в обиходе ученых еще одна исследовательская методика, одинаково пригодная для твердых тел, жидкостей и газов. Разносторонний способ. Когда я усомнился в его достоинствах, Коротеев обиженно сказал:

— А как вы еще сумеете обнаружить десять миллиардов молекул?

Действительно, как? Десять миллиардов только на слух воспринимается, как нечто внушительное. На самом деле, если речь идет о молекулах, это нечто совершенно невесомое и неконтролируемое.

А вот лазерный луч активной спектроскопии сумеет зарегистрировать наличие этих молекул в какой-либо среде, скажем, в атмосфере. Как опытный разведчик, проникнет импульс лазерной пушки сквозь прозрачное окно закрытого сосуда и расскажет, как ведет себя смесь газов, собравшаяся там, из чего она состоит, проделает количественные измерения. И на получение этой экспресс-информации уйдет всего лишь одна стомиллионная доля секунды.

Вполне может быть, что активный метод спектроскопии приведет к неменьшим революционным преобразованиям в исследовании вещества, чем сами лазеры в науке и технике. Появляется возможность изучать колебания молекул, вызванные взаимодействием ядер с электронными оболочками. Прежняя аппаратура ничего подобного обнаружить не могла. А между тем для химиков и биологов подобные измерения чрезвычайно существенны. Кроме того, для биологии активная спектроскопия вообще представляет особую ценность. Биологические объекты, как правило, окрашены или светятся под действием обычных лучей. Поэтому свет для них — плохой разведчик. Но лазерный щуп активной спектроскопии возбуждает особое свечение, не похожее на привычную для данных веществ люминесценцию. Значит, этот «фон», который является непреодолимой помехой для старых методов спектроскопии, не опасен. И возникшие сателлиты легко зарегистрировать.

Некоторые энтузиасты нелинейной оптики вообще считают, что только с ее помощью ученые смогут целенаправленно вмешиваться в сокровенные процессы живой природы, когда один луч лазера послужит преобразователем, а другой — исследователем!

Так уж повелось, что цирковое представление завершается обычно самым сногсшибательным номером. Зритель должен уйти, испытав удивление, граничащее с шоком...

Нечто подобное произошло и со мной в университетской лаборатории «не-оптики».

В неожиданное смятение меня привел трюк... с вентилятором, который на моих глазах сотворил чудо: он отклонил в сторону луч лазера! Представьте себе такую картину: сквозь узкую щель в темную комнату пробивается луч света; вот вы дунули на него, и он от вашего дуновения затрепетал. Это невозможно, скажете вы. Конечно, невозможно.

Так в чем же тогда физическая суть «фокуса», который я видел в лаборатории «не-оптики»? Да все в той же нелинейности. Лазерный луч, который поддался воздушному потоку от вентилятора, был пропущен сквозь прозрачную жидкость в длинном сосуде. Взаимодействие луча такой мощности со средой, в данном случае с жидкостью, привело к тому, что в ней он проложил себе своеобразный световой канал, оптические свойства которого резко отличаются от оптических свойств среды, то есть жидкости. Они таковы, что световой луч отражается от стенок созданного им же канала и суживается еще больше. Происходит так называемая самофокусировка, когда луч уменьшается до тончайшей световой нити.

Пожалуй, теперь нетрудно догадаться, что произойдет с этой светящейся нитью, если включить вентилятор. Воздушный поток своим давлением искривит световой канал, а точнее — нагретые лучом слои жидкости, образовавшие этот канал, и светящаяся ниточка также послушно искривится. Вот и весь «трюк». Кстати говоря, тонкие нити-световоды давно используются в оптике. Разница между ними и тем, что я видел, в том, что в жидкости луч создает себе световод сам, собственной энергией.

В свое время явление самофокусировки было встречено с ликованием. Одни утверждали, что подобным способом можно передавать на расстояние энергию. Другие считали, что именно самофокусировка послужит основой для конструкции молекулярного «скальпеля», о котором мечтают ученые самых разных специальностей. Третьи в явлении самофокусировки увидели возможность создания устройств, которые по своей мощи превзошли бы гиперболоид инженера Гарина.

Но, увы, надежды эти не оправдались. Прежде всего оказалось, что «фокусы» самофокусировки сначала действительно мчатся вместе с лучом, а потом застывают на месте, после чего начинают движение в обратном направлении. Какая уж тут транспортировка энергии! Да и «скальпель» не получается.

Зато неприятностей от самофокусировки много. Так что в этом смысле ее изучение принесло большую пользу конструкторам лазерных установок. Ведь именно самофокусировка ограничивает мощность твердотельных лазеров, поскольку сузившийся луч способен разрушить свою «колыбель»...

И тем не менее явление самофокусировки не осталось в сфере «чистой» науки. В последнее время наметились пути использования этого эффекта для практических нужд.

Было обнаружено, в частности, что в фокусах сузившегося луча, как в сверхмощной лазерной печи, образуется высокотемпературная плазма — предмет особых забот исследователей, занимающихся термоядерными процессами. Причем самофокусировка рождает и плазму и одновременно создает магнитное поле, способное удержать ее. Ведь надежды физиков обращены теперь к лазерной технике. Академик А. М. Прохоров прямо утверждает, что с помощью мощных лазеров на тугоплавком неодимовом стекле «... в ближайшем будущем предполагается осуществить управляемую термоядерную реакцию». Естественно, никто не знает, как это будет сделано. Может быть, первые ростки термоядерных реакций как раз и появятся в тончайших нитях сфокусировавшегося луча? Кто знает... Роль пророков в науке весьма щекотлива. Но во всяком случае ученики и сотрудники А. М. Прохорова вовсю занимаются самофокусировкой. Лаборатория одного из них, ярого поклонника оригинального явления нелинейности, доктора физико-математических наук В. А. Коробкина, где мне довелось побывать как раз перед посещением физического факультета МГУ, была буквально насыщена трюками, подобными трюку с вентилятором. Сужающиеся световые шпаги, пронизывающие жидкость, странные тире и точки своеобразной азбуки Морзе, застывшие в воздухе, тончайшие нити, обрисовывавшие круговые движения лазерного луча, — словом, самофокусировка во всех ее проявлениях.