Лазерный мир

Ученые получили в лаборатории непрозрачный свет. Такой свет сам отбрасывает тень, если его осветить другим светом. Подобный эффект теоретически предсказывали, но в далеком космосе и при экстремальных условиях, когда мощный поток света как бы прожигает вакуум. Но все оказалось проще. Опыт могут воспроизвести продвинутые школьники в кабинете физики. Статья опубликована в журнале Optica.
 
 ЗАГАДКА СВЕТОВОГО ЛУЧА
 Найдите приятеля, который не боится темноты. Вооружитесь двумя фонариками. Отправляйтесь ночью куда-нибудь в поле, зажгите фонари, и скрестите лучи. Луч свободно проходит сквозь луч. Свет – не препятствие для другого света. И сам по себе свет не будет отбрасывать тень. А разве может быть иначе?
 
Изучение теней на протяжении тысячелетий подарило науке массу фундаментальных открытий. Осознание того, что во время лунного затмения на Луну падает тень Земли, а во время солнечного – тень Луны, стало началом современной астрономии. Наблюдая за тенями, арабы создали геометрическую оптику, а европейские ученые XVII века – волновую. Физики-художники вроде Леонардо да Винчи, изучив тени, дали живописцам знания, чтобы создавать предельно реалистичные картины.
 
 И всегда мыслилось: чтобы отбросить тень, нужен материальный объект. Природа света оставалась непонятной. То, что сам свет не отбрасывает тень, если его осветить другим светом, отмечалось, но оставлялось на потом: разберемся как-нибудь, что такое свет, тогда и сообразим, как там все работает.
 
 Разобрались. Свет состоит из фотонов. Фотон – материальная частица. Почему же он не оставляет тени? Видимо, потому, что у фотона нет массы. Так себе объяснение. Ведь отсутствие массы не делает фотон нематериальным. Свет – это материя, и где же тень?
 
 Вопрос пока не решен (многие физики вам скажут, что тут и думать нечего, но думать надобно всегда). Некоторые концепции, впрочем, предполагали, что тень от луча – получишь, но для этого надо изменить само пространство. Если очень мощный луч пройдет сквозь вакуум, он исказит его (поляризует), и такой луч станет как бы непрозрачным (хотя на самом деле изменится не свет, а пространство, пустота). Но это где и когда такое будет.
 
 А все было прямо под рукой. Теперь физики недоумевают, как так-то, эксперимент простейший, и на тебе – непрозрачный свет. Почему никто не догадался.
 
А что, если создать такие условия, когда свет в самом деле станет непрозрачным? Стоит попробовать. Пошли, да и сделали. Эксперимент выполнен настолько на коленке, что вместо экрана применялась широкая плоскость белого маркера. Так в статью и пошло, с маркером. Без миллиардов долларов и сложного оборудования, по-народному.
 
 ВОЛШЕБНЫЙ КРИСТАЛЛ
 Взяли кристалл рубина. Возможно, вы подумаете, что это – очень дорогая штука, и в первой попавшейся школьной лаборатории такого не найдешь. Но рубин-то синтетический. А природный и не нужен. Природные камни редко бывают ровными да гладкими. А тут – кубик, как из магазина игрушек. Прозрачное красное «стеклышко».
 
 На одну сторону рубина посветили мощным зеленым лазером. Зеленые лазеры вообще мощные, даже те, что бытовые. Кстати, в зеленых лазерах исходный луч вовсе не зеленый. Цвет получается в особом кристалле (тоже кристалле!) в силу сложных (и странных) эффектов квантовой механики. Квантовая механика прямо у вас дома! – конечно, если у вас дома есть зеленый лазер.
 
 Затем, под углом в 90 градусов, осветили все это синим светом. И о чудо. Зеленый луч, который внутри рубина, дал тень.
 
 Да какую. Контрастность тени – как от дерева в солнечный день. Отлично различима невооруженным глазом. Повторяет контуры поверхности, на которую падает. Отвечает всем критериям тени, как их сформулировал упомянутый выше Леонардо да Винчи. Я думаю, упоминание да Винчи понадобилось потому, что ученые сами не поверили своим глазам. Тень! Да ладно!
 
 НИЧЕГО ЛИНЕЙНОГО
 Что же случилось, как такое возможно?
 
 Есть такое понятие – нелинейная оптика. Это когда со светом происходят всякие штуки, каких от него не ждешь. Например, луч сам собой делается очень ярким. Или, напротив, затухает в прозрачной вроде бы среде.
 
 Секрет фокуса всегда таится именно в среде. Чаще всего в роли среды выступают кристаллы. Кристаллы построены из атомов, которые организованы в решетки. Решетки могут быть причудливыми, а сами атомы – с интересными свойствами. Например, как может свет усиливаться сам собой? Попадает свет в среду, возбуждает атомы, те сразу переизлучают. То есть приняли эстафету – передали эстафету. Но в процессе к «марафону» присоединяются другие участники. Атомы, которые рядом стояли, тоже принимаются переизлучать. Закон сохранения энергии не нарушен. Да, свет усилился, но за счет энергии, которая хранилась в кристалле.
 
 А тут вот как получилось. Зеленый луч, попав в кристалл, изменил среду. Не для себя. Сам-то прошел насквозь, и был таков. Для других длин волн изменил. Например, для синих. Теперь синий свет, оказавшись в кристалле, там, где идет зеленый луч, видит как бы препятствие. И не может пройти. Отбрасывает тень.
 
 БЛЕСТЯЩИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ
 Внимательный читатель немного разочарован. Вы обещали изменить свет, сделать свет непрозрачным. А в итоге изменили кристалл. Так нечестно.
 
 На что я возражу. А свет сам по себе – бывает ли? Свет всегда идет через какую-то среду. И если в школе рисуют лучики, и мы думаем, что так и есть – шарашит по прямой – так ведь это только первое приближение к реальной картине.
 
 Взять воздух. В нем полно молекул. Свет не может пройти между молекул. Он постоянно с ними сталкивается. Молекулы отфутболивают его, и прямой лучик в моменте вовсе не прямой. Почему в итоге, когда мы смотрим сквозь пыль, видим «прямые лучи», и они в самом деле прямые – это объясняет квантовая электродинамика, а именно курс великого физика Ричарда Фейнмана, добро пожаловать туда. Лекции Фейнмана я тут пересказывать не буду, достаточно знать, что не все так просто на самом-то деле, как кажется.
 
 И даже если свет летит через вакуум, он взаимодействует с вакуумом.
 
 И ученые во главе с тов. Абрахао открыли очень интересный эффект. Который был на поверхности, но о нем не знали. Как сказал один мой знакомый физик, «просто никто не догадался на кристалл рубина, пронзенный одним лучом, посветить вторым».
 
 Открытие имеет громадное практическое значение, ведь вся современная техника, от экранов смартфонов до космических кораблей, строится на нелинейной оптике. Взять те же квантовые компьютеры, которые получаются дико громоздкими как раз потому, что мы плохо управляем светом. А тут мы получаем по сути квантовый транзистор, как основу будущего квантового компьютера. Один луч управляет другим, как один поток электронов в транзисторе управляет другим. Красота.
 
 Читайте на WWW.KP.RU: https://www.kp.ru/daily/27663/5014284/