Крушение парадоксов

С квантовой точки зрения удвоение частоты выглядит так. Кристалл, обладающий нелинейными свойствами, превращает два кванта малой энергии (два кванта инфракрасного излучения) в один квант вдвое большей энергии (квант зеленого света).

Соответственно параметрическое возбуждение света представляет собой распад возбуждающего фотона на два вторичных фотона, причем их суммарная энергия равна его энергии, а их суммарный импульс его первоначальному импульсу.

Нелинейная оптика предсказывает большую роль других процессов, в которых участвует сразу по несколько фотонов. Красная граница фотоэффекта, послужившая Эйнштейну исходным пунктом для создания квантовой теории света, теряет свое значение при больших интенсивностях излучения, обеспечиваемых лазерами. В лазерном луче фотоны летят «так густо», что два или даже несколько фотонов могут одновременно отдать свою энергию одному электрону и выбросить его сквозь энергетический барьер, высота которого образует непреодолимое препятствие для одиночного фотона данной частоты.

Это же относится к ионизации. Обычно фотоны поодиночке участвуют в процессах возбуждения и ионизации атомов. Н. Делоне в лаборатории Физического института имени Лебедева, руководимой М. Рабиновичем, изучал многофотонную ионизацию инертных газов и наблюдал акты ионизации, в которых одновременно участвовало одиннадцать фотонов.

Может быть, еще интереснее процессы, в которых участвуют не только несколько фотонов, но и кванты звука — фононы.

Один из таких процессов — рассеяние света на тепловых волнах, рассеяние Мандельштама — Бриллюэна. С квантовой точки зрения, здесь все очень просто. Ведь звуковая волна может рассматриваться как поток квантов звука — фононов, — совершенно так же, как световая волна может быть представлена потоком квантов света — фотонов. Выбор того или иного представления зависит от характера рассматриваемого явления. В одних явлениях явственно выступают волновые свойства, в других преобладают квантовые.

В квантовой трактовке рассеяние Мандельштама — Бриллюэна сводится к столкновению фотона и фонона. Фотон исчезает, и одновременно рождается новый, имеющий другую частоту, меньшую, если при этом рождается и фонон, и большую, если фонон тоже исчезает. В таком процессе преобразуются не только энергии, но и импульсы взаимодействующих частиц: импульс вторичного фотона равен сумме импульсов первичного фотона и фонона, принимавшего участие в процессе.

Если же интенсивность падающего света очень велика, что легко достигается при помощи импульсных лазеров, то картина рассеяния Мандельштама — Бриллюэна резко меняется. При малой интенсивности света рассеяние пропорционально числу фононов. При большой — число фононов резко возрастает за счет рождения новых фононов в процессе рассеяния. В результате быстро увеличивается и само рассеяние. Так возникает фотонно-фононная лавина. Такой процесс называется вынужденным мандельштам-бриллюэновским рассеянием. Фононная лавина может, как показали Прохоров и Бункин, вызвать разрушение материала, в котором происходит такой процесс. Так может произойти и саморазрушение лазера, ибо вынужденное мандельштам-бриллюэновское рассеяние происходит и в активных элементах лазеров.

Многочастичным процессом с участием двух фотонов и фононов является и комбинационное рассеяние, открытое в 1928 году Мандельштамом и Ландсбергом в Москве и Раманом и Кришнаном в Калькутте. Оно отличается от предыдущего тем, что фотоны, участвующие в нем, связаны нес тепловыми колебаниями среды как целого, не с тепловыми волнами, а с внутримолекулярными колебаниями.

При лазерных интенсивностях света может наблюдаться вынужденное комбинационное рассеяние, при котором так же резко возрастает интенсивность рассеянного света. На этой основе удалось создать новый специальный тип лазера, позволяющий получить чрезвычайно большую яркость когерентного света.

Нелинейная оптика — одно из молодых направлений древней науки. У нее уже много достижений, но еще большего следует ожидать в будущем.

Глава VII. Образы

Приходилось ли вам ясным весенним утром смотреть на Неву, стоя на крыльце здания Адмиралтейства? Тяжелая громада Петропавловской крепости сумрачно глядит на вычурные линии Зимнего дворца. Строгий стиль бывшего здания биржи контрастирует с двумя ростральными колоннами, которые напоминают о тех далеких временах, когда парус, а не пар и тем более не атомное ядро служили покорителям морей и океанов. Трудно пройти мимо, не задержавшись взглядом на силуэте прошлого. Но человек устроен так, что, вспоминая о старом, он стремится к новому.

Солнечным утром в конце 50-х годов по мосту шагал молодой человек. Шагал, не глядя по сторонам, не замечая окружающего. Он спешил на работу, и его работа шла с ним. Вечером она сопровождала его домой, и усаживала за письменный стол, и не пускала ни в театр, ни в кино. И допоздна не давала уснуть. А утром, когда он просыпался, бодрый и полный энергии, она была тут как тут, и торопила его, и подгоняла новыми надеждами.

И он торопился по набережной, не глядя по сторонам и не замечая плоского здания петровской кунсткамеры и высокого крыльца университета. Так же безразлично он сворачивал с набережной направо между палисадниками и, не видя ни изумрудной зелени, ни возникавшего вдали массивного здания библиотеки, еще раз обдумывал то, что должен сделать сегодня.

Он заходил в институт, одно из первых научных учреждений, созданных Советским правительством, и, пройдя длинными коридорами, открывал дверь в лабораторию и зажигал свет. Окна в лаборатории обычно были наглухо закрыты черными шторами. Молодой человек работал над одной из старых проблем оптики. Свет здесь тоже был работником. Незаменимым, но своевольным, и его нужно было держать в руках, управлять им, как опытный наездник управляет горячей лошадью.

В этом институте живы и развиваются традиции замечательных оптиков С.И. Вавилова, Д.А. Рождественского и других ученых, посвятивших свою жизнь изучению свойств света и применению оптических явлений на пользу людям. Здесь чтят и уважают тех, кто отдает науке все время, все силы, мысли и мечты. Тут, на Васильевском острове, не только территориально, но и идейно слились, неразрывно переплелись три рукава науки — академическая, университетская и отраслевая. Объединились далекими перспективами, конкретными задачами и, самое главное, людьми, умеющими широко мыслить, дерзко провидеть будущее, упорно идти к поставленной цели.

Задача, над которой бился Юрий Николаевич Денисюк, казалась неинтересной большинству его коллег. Человечество вступило в космическую эру. Стали реальностью атомные электростанции. А его, видите ли, не удовлетворяют возможности фотографии!

Уже получены изображения огромных галактик и мельчайших вирусов. Даже отдельные молекулы зафиксированы на фотопластинках. А миллионы самых разнообразных фотоаппаратов в руках любителей и профессионалов превратили фотографию в подлинное искусство, отображающее окружающий мир во всем его многообразии. Что же еще надо?

Да, соглашались друзья, конечно, фотография не лишена недостатков. Она плоска, она мертва. Но настоящий мастер способен, несмотря на это, добиться чудесных результатов при помощи обычного фотоаппарата. А ведь существует и кино.

Есть множество более насущных или более интересных задач. Нельзя забывать и того, что над усовершенствованием фотографии трудилось множество людей, среди них и глубокие ученые, и талантливые инженеры. Здесь каждый новый шаг требует огромных усилий. Окупятся ли они?

Но Денисюк ясно понимал, что блестящие достижения фотографии заслоняют ее принципиальное несовершенство. Она способна зафиксировать на фотоэмульсии лишь ничтожную часть сведений об объекте съемки, переносимых световыми волнами. Этот порок не устранен и в кино. Огромный поток информации остается неиспользованным. Найти возможность применения всей теряемой информации — не мелочь. Сделавший такое совершит важный шаг, все последствия которого трудно предвидеть!