Задержка света в пути и другие необычные явления в оптике

В.В. Самарцев, Л.А. Рассветалов, М.И. Куркин

Виталий Владимирович Самарцев, д.ф.-м.н., профессор,
зав. лаб. нелинейной оптики Казанского физико-технического научного центра РАН.

Леонид Александрович Рассветалов, д.т.н., профессор,
зав. кафедрой радиосистем Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого.

Михаил Иванович Куркин, д.ф.-м.н., профессор, зав.
лаб. теор. физики Института физики металлов УрО РАН (Екатеринбург).

Первая часть нашего заголовка заимствована у статьи Э.Корнелла из “Nature” [1]. Такие интригующие названия на общедоступном языке - большая редкость для научных публикаций. Обычно они включают два-три специальных термина, которые, безусловно, делают заголовок компактнее, но для большинства читателей он превращается в заклинание. Все это понимают, но привычка так писать уже стала безусловным рефлексом. Мы тоже вначале хотели назвать свою статью: “Фотонное эхо и когерентная спектроскопия” (сокращенно ФЭКС). Это сплошь специальные термины, но именно так именуются симпозиумы, которые проводятся более 20 лет: ранее в СССР, а теперь - в России.

Первый такой симпозиум состоялся в Казани в 1973 г. Его организовал профессор У.Х.Копвиллем, предсказавший вместе с В.Р.Нагибаровым в 1963 г. фотонное эхо. Тогда они назвали его световым, чтобы отличать от сигналов эха в радиочастотном диапазоне. Потом, после перерыва, с 1981 г. ФЭКС стал собираться регулярно с периодичностью в четыре года. Председателем оргкомитета был академик Л.В.Келдыш, затем - академик К.К.Ребане, а теперь его возглавляет профессор В.В.Самарцев. Симпозиумы не ограничивались национальными рамками: так, в работе ФЭКС участвовали профессор Ч.М.Боуден (США) - известный специалист по квантовым компьютерам - и профессор С.Р.Хартман (США), обнаруживший долговременное фотонное эхо, на основе которого впоследствии были созданы процессоры для обработки оптических сигналов. Финансовую поддержку в проведении оказывали Российский фонд фундаментальных исследований, Минпромнауки РФ и Американское оптическое общество. Последний ФЭКС состоялся в Великом Новгороде в июне 2001 г. на базе Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого. Он собрал более 100 участников, которые сделали около 100 докладов. Здесь мы постараемся популярно рассказать о предмете обсуждения на этих симпозиумах.

Эхо эху рознь

Самое трудное в таких случаях - не отпугнуть читателя первой фразой. Название “Фотонное эхо и когерентная спектроскопия” - не самое лучшее начало в этом смысле. Дело здесь не только в специальных терминах, но и в необычной трактовке понятия “эхо”. Действительно, поскольку в повседневной жизни под эхом мы понимаем звуковой сигнал, отраженный от препятствия, то фотонное эхо сразу ассоциируется с отраженным электромагнитным сигналом, т.е. попросту с радиолокацией. Такая трактовка вряд ли способна привлечь к нему внимание. Распространение этой аналогии на оптические фотоны позволит включить сюда лазерные прицелы, что могло бы заинтересовать профессиональных киллеров, если бы они читали журнал “Природа”. Есть еще одна возможность привлечь внимание публики к ФЭКС - заменить слово “фотонное” на “световое”, как было в первой работе Копвиллема и Нагибарова. Соответствующая аббревиатура позволяет достичь поставленной цели, но создает, как выяснилось, определенные трудности организаторам симпозиумов.

Получается, что словом “эхо”, если его понимать буквально, вряд ли можно заинтриговать читателя. Необходимо сразу же указать, что в физике понятие “эхо” расширено и включает в себя любой задержанный сигнал. При таком определении механизм формирования эхо-сигнала с помощью отражателя оказался не единственным, а главное - не самым эффективным, по крайней мере для электромагнитных сигналов, к которым относится и фотонное эхо. Поскольку скорость света c=300000 км/с, для достижения секундных задержек отражатель пришлось бы помещать на Луне. На ФЭКС обсуждаются свойства фотонного эха с временами задержки до нескольких часов. Установка для получения таких сигналов на основе отражения имела бы размеры величиной с орбиту Юпитера. Чтобы ужать ее до размеров лабораторного стола (рис.1), нужно было найти способ “остановить” оптический импульс в этом устройстве и извлечь его оттуда через несколько часов.