Основываясь на нелинейной оптике, физики использовали вынужденные рассеяния для создания новых оптических приборов, открывших удивительные возможности.
Один из таких приборов назван ВКР-лазером, т. лазером на вынужденном комбинационном рассеянии. Для создания такого лазера оказалось достаточным поместить прозрачную жидкость, газ или твердое тело внутрь оптического резонатора и облучить его достаточно мощным лазером. Резонатор должен быть настроен на частоту одной из компонент комбинационного рассеяния, определяемой разностью частоты, излучаемой лазером, и одной из частот колебаний молекул выбранного прозрачного вещества. Рассеянное излучение, многократно отражаясь от зеркал резонатора, каждый раз способствует увеличению интенсивности рассеяния именно этого же излучения. В результате мощность рассеянного таким образом излучения лавинообразно возрастает, как возрастает мощность излучения обычного лазера, когда в нем начинается процесс генерации излучения. Возникающее вынужденное комбинационное излучение обладает всеми характерными признаками лазерного излучения, его узкой направленностью, его высокой когерентностью, то есть способностью к образованию четких интерференционных полос. Таким образом ВКР-лазеры способны создавать излучение, не отличающееся от излучения обычных лазеров, причем создавать его и на тех частотах, для которых не существует обычных лазеров.
Самовоздействие рассеянного излучения возникает не только в процессе комбинационного рассеяния, но и при рассеянии других типов, например при рассеянии, предсказанном Мандельштамом в 1918 году, а затем независимо изученном Л. Бриллюэном. Это вынужденное рассеяние возникает только при больших лазерных мощностях падающего излучения и не может быть получено при помощи нелазерных источников. Его называют вынужденным излучением Мандельштама — Бриллюэна.
Как и обычное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна, оно вызвано хаотическими (тепловыми) процессами в прозрачных веществах. Здесь имеются в виду хаотические движения, в которых каждая молекула участвует как целое. Конечно, и в этом случае свет взаимодействует непосредственно с электронами, входящими в атомы, а атомы (или ионы) входят в состав молекул и колеблются относительно центров масс соответствующих молекул. Эти колебания, как известно, проявляются в процессах Комбинационного рассеяния (свободного и вынужденного).
В рассеянии Мандельштама — Бриллюэна существенны те движения, в которых молекула участвует как единое целое, это движения ее центра масс. Они проявляются в форме местных изменений плотности при случайных возникновениях небольших сжатий и разрежений. Такие сжатия и разрежения могут быть следствием звуковых, сверхзвуковых или даже гиперзвуковых волн, движущихся внутри вещества. Если даже не возбуждать каким-либо регулярным образом звуковые (гиперзвуковые) волны, то тем не менее в веществе постоянно возникают и исчезают случайные флуктуационные волны, проявляющие свое присутствие только в форме местных изменений плотности вещества.
Наряду с такими флуктуациями плотности внутри вещества всегда существуют флуктуации температуры, флуктуации теплоемкости и других величин, средние значения которых характеризуют внутреннее состояние вещества.
Рассеяние, возникающее при больших мощностях лазерного излучения, повышает интенсивность хаотических процессов в веществе, интенсивность флуктуации всех этих величин, что в свою очередь увеличивает рассеяние излучения. При этом тоже возникает самовоздействие, в результате чего любое увеличение рассеяния приводит к его дальнейшему возрастанию.
Отличается ли вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна от вынужденного комбинационного рассеяния?
Да, отличается. Попробуем найти физическую причину наблюдаемого различия. Величина молекул много меньше длины световой волны. Поэтому на расстояниях, соизмеримых с длиной волны, излучение взаимодействует со множеством атомов, входящих в молекулы, находящиеся в различных состояниях внутренних колебаний. В отличие от этого, масштабы тепловых флуктуации, в которых молекулы участвуют как целое, много больше размеров молекул, а их возникновение и рассасывание происходит более медленно. При этом внутримолекулярные колебания не проявляют свои особенности, а возникающие более плавные неоднородности лишь незначительно влияют на длину волны рассеянного излучения. При лазерных мощностях и обратное влияние — самовоздействие — имеет соответственно плавную пространственную структуру. Такое самовоздействие возникает вследствие совместного влияния на вещество двух световых полей, обладающих малым различием длин волн.
Легко представить, что происходит, если рассеяние такого типа претерпевает плоская световая волна, то есть волна, гребни и впадины которой образуют в пространстве систему параллельных поверхностей. При этом рассеиваемые волны тоже имеют структуру множества параллельных плоскостей. Но так как скорости распространения рассеянных волн вследствие различия длин этих волн различны, то первичные волны обгоняют рассеянные волны или отстают от них. В результате сложения с рассеянными волнами первичные волны частично отражаются и поворачивают обратно к возбудившему их источнику. Рассеяние такого типа называют обратным рассеянием. По мере увеличения мощности падающего лазерного излучения вынужденное рассеяние назад становится преобладающим. Волны, возбуждаемые лазером, проникают в вещество лишь на небольшую глубину, а затем поворачивают обратно и выходят из вещества так, как если бы они встретили на пути зеркало.
Навстречу времени
Практическое применение этого явления открывает поистине потрясающие возможности. Наиболее четко они могут быть выражены фразой: вынужденное рассеяние назад позволяет обратить для световой волны направление течения времени. Фразой, кажущейся безумной каждому, знающему, что время неотвратимо течет только в одном направлении: от прошлого к будущему.
Один из первооткрывателей нового явления Б. Я. Зельдович, сын академика Я. Б. Зельдовича, с которым мы еще встретимся неоднократно, и его сотрудники приводят в качестве примера такую картину. На вышке для прыжков в воду стоит девушка. Прыжок, и она касается руками гладкой поверхности воды. На поверхности воды возникают кольцевые волны, разбегающиеся в стороны, небольшое количество брызг взлетает вверх и падает вслед за тем, как тело девушки уходит под воду; волны постепенно успокаиваются, а девушка выплывает где-то вдали, чтобы не отвлекать нашего внимания. Кинооператор фиксирует все это на пленку.
Проявив пленку, оператор может воспроизвести описанную картину на экране. Если он захочет посмотреть ее еще раз, ему необходимо перемотать пленку в обратном направлении. Перематывая ее при помощи кинопроекционного аппарата, он увидит, как на гладкой поверхности воды возникают кольцевые волны, сбегающие к центру. Вдруг из центра возникают ноги девушки. Капли, поднимающиеся со всех сторон, слетаются к центру. Тело девушки постепенно поднимается над водой. Когда она снова окажется в воздухе, поверхность воды станет зеркально гладкой — все волны и капли исчезнут там, где девушка последний раз соприкасалась с водой. Затем девушка взмоет на вышку и улыбнется точно так же, как она улыбалась перед прыжком.
Такое возможно только в кино. В реальном мире время неуклонно течет от прошлого к будущему. Обратить течение времени невозможно.
Но в некоторых физических опытах можно наблюдать явления, которые в существенной мере приближаются к тому, что было при «обращении времени» при помощи кинофильма.
Простейший пример — хороший мяч, падающий на твердый пол. Еще лучше — стальной шарик, падающий на стальную плиту. Глядя на подскакивающий шарик, мы видим то же самое, что увидели бы, обратив вспять кинопленку, зафиксировавшую его падение. Конечно, шарик не достигнет исходной высоты. Причина ясна: трение о воздух, затрата энергии на возбуждение звуковых волн внутри шарика и плиты, а также в воздухе. Но Галилей научил нас, обдумывая опыты, отделять главное от второстепенного. Второстепенное здесь — потеря энергии. Главное — обратимость механических движений, выражающаяся в том, что время входит в уравнения механики обратимо. Изучая механику, можно изменять знак, стоящий в уравнениях перед временем.
