Досягнення нелінійної оптики
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Не одну сотню років все або майже все в оптиці було зрозуміло. Чому лінза фокусує світло, чому червоні промені не проходять через зелене скло, чому в призмі вони завжди відхиляються слабкіше, ніж сині… Студентам на лекціях залишалося лише шкодувати, що всі «очевидні», самі собою зрозумілі речі вже відкриті і можна хоч ненадовго потрапити в той час, коли їх ще треба відкрити. І раптом така можливість з’явилася. Оптика немов перенеслася одним стрибком далеко назад, до самого початку свого шляху. Зі шкільної лави знайомі явища знову стали незвичайними, незрозумілими.
Сталося це років п’ятдесят тому, під час дослідів з лазерами. Якщо лазерний промінь потрапляє в будь-яку речовину, оптичні властивості цієї речовини починає “трясти” як в лихоманці. Вони стрімко змінюються в залежності від інтенсивності променя. Показник заломлення, прозорість, колір… Ті самі властивості, які здавна вважалися постійними, які визначали поведінку світла в речовині, на яких, як на трьох китах, трималися рівняння оптики.
Рамки рівнянь звичайної оптики виявилися занадто тісні. Виникла нова область фізики, яка була названа нелінійною оптикою.
Нелінійній оптиці належало заново осмислити поглинання, заломлення світла і багато інших явищ, які були добре відомі її старшій сестрі — лінійній оптиці. Лінза фокусує світло. Здавалося б, що може бути простіше. Але спробуйте зрозуміти, як поведе себе в лінзі промінь, який сам змінює показник заломлення середовища і в результаті сам собі створює своєрідні лінзи всередині речовини.
Майже з перших же кроків в нелінійній оптиці були відкриті явища, абсолютно немислимі в рамках звичайної оптики. Червоний луч, проходячи через безбарвну прозору речовину, зникав, перетворювався на невидимий ультрафіолетовий. Темно-зелене скло на мить змінювало свій колір, стаючи абсолютно прозорим для червоного світла…
Нові ефекти виявилися надзвичайно цікавими для фізиків і в теоретичному, і в практичному плані. Тому розвиток нелінійної оптики відразу ж понісся «навскач». Хлинув потік досліджень, замелькали міжнародні конференції.
Нелінійний ключ від лабіринту
Енергетична структура атомів і молекул нагадує виставку або лабіринт з величезним числом кімнат і переходів. Уявіть собі, що ваш квиток дійсний всього на одну-дві хвилини. Ті кімнати, в які можна потрапити прямо від входу, ви (за кілька відвідувань) оглянете. А як бути з внутрішніми кімнатами? Не встигнеш потрапити в них, час минув. Треба повертатися за новим квитком. От якби його можна було отримати тут же, біля входу в наступний зал…
Багато десятків років для фізиків були відкриті тільки найперші кімнати в енергетичному лабіринті атомів і молекул. До інших дістатися не вдавалося. З появою лазерів і можливостей їх перебудови по частоті вхід в глибини лабіринту був відкритий. Виникла можливість «відправляти» атоми в ті чи інші «кімнати» за вибором. І на зміну звичайній спектроскопії прийшла так звана активна. Дослідження ведеться із застосуванням одночасно двох лазерних випромінювань.
Одне безперервно переводить атоми в потрібний енергетичний стан, а інше зондує їх в цьому стані. Зондує з неймовірною ретельністю. Адже лазер дає дуже вузький по частоті промінь. Його можна налаштувати на будь-які з поруч розташованих переходів в енергетичному лабіринті. Інакше кажучи, досліджувати такі деталі в будові атомів, які раніше були «всі на одне обличчя».
Лазер замість рентгена
Два дерева зрослися стовбурами. Між ними немає ні найменшого проміжку. Сонце сліпить вам очі, і ви бачите тільки загальний силует зрощених стовбурів. Як визначити, скільки ж дерев перед вами — одне, два, а може бути, кілька тонких?..
З таким завданням доводиться стикатися в оптиці. Атом — система дуже стабільна. Недарма вчені виявляють знайомі спектри елементів в далеких галактиках. Але зовсім незначні відмінності в енергії існують навіть у однакових атомів. Трохи «дихають» енергетичні рівні, між якими відбуваються переходи при випромінюванні і поглинанні світла, трохи «по – своєму» випромінює і поглинає кожен окремий атом в залежності від швидкості і напряму руху (доплерівський ефект), адже його не змусиш стояти нерухомо. В результаті всі лінії в спектрі атома злегка розпливаються. Якщо будівлі в двох атомах дуже схожі, і лінії їх розташовані в спектрі поруч, може статися (і практично дуже часто трапляється), що ці лінії перетворяться в одну, як два зрощених стовбура. Природа ніби ставить перед спектроскопістами кордон: «не намагайтеся щось вивідати там, де я сама перестаю чітко бачити».
Дослідження, проведені фізиками, показали, що можна перейти і цю межу. Серед безлічі однакових атомів завжди є такі, у яких енергетичні рівні, що трохи коливаються знаходяться в дану секунду точно на середній відстані, не далі, не ближче — в самому центрі «стовбура». Фізики виявили, що лазерний промінь взаємодіє з такими атомами найохочіше. При цьому в спектрі виникає найтонша лінія, набагато вужча, ніж «виготовлені» природою. Два «стовбура» — дві лінії. Лазерний промінь немов вишукує серцевини стовбурів, не звертаючи жодної уваги на всі спроби природи замаскувати їх товщею деревини і кори інших дерев. Немов рентгенівський апарат, що розрізняє окремі кістки всередині непрозорого тіла.
Погодьтеся самі, настільки «нешанобливо» обійтися з встановленими природою кордонами – це в науці трапляється не часто.
А крім подарунка спектроскопістам, це відкриття дозволило вченим досягти абсолютно фантастичної точності еталону довжини, необхідної при всіх дослідженнях в області мікросвіту.
0,00000000000005 мм — такий на сьогоднішній день новий рекорд точності вимірювання довжини. Якщо з цією точністю вимірювати відстань від Місяця до Землі, помилка виявиться менше сотої частки міліметра.
І ще один дуже цінний подарунок, який кілька років тому здався б абсолютно нездійсненним, піднесла нелінійна оптика спектроскопії. Крім здатності досліджувати дуже рідкісні і дуже мало відміні процеси, спектроскопія отримала від нелінійної оптики здатність «пояснити» миттєво змінні стани речовини.
Незвичайне інтерв’ю
Припустимо, ви захотіли запитати про щось пасажирів пролітаючого повз експреса. Початок вашого питання почують у першому вагоні. Кінець питання дістанеться пасажирам п’ятого. А відповідь ви почуєте хіба що з останнього або, що ще ймовірніше, до вас долине зовсім нерозбірливий шум відразу десятків голосів з різних вагонів. Кожен пасажир вловив якийсь обривок нашого питання і постарався відповісти.
Залишається одне – задавати питання з такою швидкістю, щоб експрес не встиг за цей час зрушити і на метр. Тоді інтерв’ю відбудеться. Мається на увазі, звичайно, що «слух» у пасажирів хороший і швидко відповідати вони теж вміють.
Багато цікавих для вчених процесів в атомах і молекулах відбуваються за мільярдні частки секунди. Щоб зафіксувати окремі етапи цих процесів, прозондувати їх, «питання» повинне бути задане у багато разів швидше «миті ока», швидше спалаху фотолампи, швидше… підберіть самі будь-яке порівняння, все одно виявиться: «ще незмірно швидше».
І нелінійній оптиці вдалося домогтися таких швидкостей. Спочатку світлові імпульси тривали десятимільйонні частки секунди, потім мільярдні…
«Фотонне ехо» — відгук середовища на миттєвий зондуючий імпульс — цей термін за півтора року встиг стати звичайним. І не тільки термін. За допомогою «еха» вже розпочато дослідження деяких властивостей металів (вивчаються по окремих етапах процеси, при яких атоми металів за стомільярдні частки секунди втрачають надлишки енергії).
Автор: Я. Терськой.