Поиск - новости науки и техники

Куда шарик докатится? Давняя работа ученого привела к созданию нового направления в физике

Снимок этого диэлектрического шарика из специальной керамики, диаметром в 2 сантиметра, кочует по научным сайтам Интернета. Шарик, естественно, необычный: он способен перенаправлять посылаемые на него электромагнитные волны. Непосвященному читателю это мало что говорит. Однако заметим: чрезвычайно важное свойство шарика в будущем поможет создать более совершенные системы телекоммуникаций, а также записи, обработки и хранения информации. Мало того, позволит лечить онкологических больных и, наконец, разработать принципиально новый компьютер – оптический. Все это станет возможным благодаря исследованиям профессора физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова и ­МИРЭА Михаила Трибельского. Хотя чудо-шарик сделал не он, именно его давняя теоретическая работа фактически привела к созданию нового перспективного направления в физике. А могла и не привести, так как все это – дело случая, уверен ученый…

– С середины 1970-х на протяжении лет десяти я занимался так называемым оптическим пробоем стекол, – рассказывает Михаил Исаакович. – Как известно, стекло прозрачно в видимой области спектра, иначе мы не смогли бы смотреть через окно. Если постепенно увеличивать мощность оптического излучения, которое мы пропускаем через стеклянную мишень, то рано или поздно стекло потеряет прозрачность и прогорит. Это и есть оптический пробой. Свет как бы пробивает стекло, разрушая его. Когда появились первые мощные лазеры, физики, естественно, знали об этом явлении. Удивительным оказалось, что предельные мощности световых потоков, которые могли выдерживать, не разрушаясь, хорошие оптические стекла, оказались в десятки тысяч раз меньше, чем следовало из существующих на тот момент теорий. Один из родоначальников лазерной физики в нашей стране профессор Алексей Михайлович Бонч-Бруевич рассказывал мне, как готовил эксперимент с новым, мощным для того времени лазером. Он тщательно собрал сложную установку с дорогущей цейсовской оптикой, и после первой же лазерной вспышки она пришла в негодность.
Надо было понять, отчего возникает различие между теорией и экспериментом, а главное – как сделать так, чтобы оптические элементы не прогорали. Оказалось, что фатальную для стекол роль играют мельчайшие поглощающие свет частицы, которые попадают в стекло в процессе изготовления. Они настолько малы, что их не видно не только невооруженным глазом, но даже в обычный микроскоп. Только специальные, так называемые ультрамикроскопы позволяют обнаружить их присутствие. При малых световых потоках такие частички абсолютно безвредны. В поле же мощного лазерного излучения они инициируют неустойчивость самого стекла. В результате оно теряет прозрачность, начинает интенсивно поглощать лазерное излучение и разрушаться. Все равно как брошенный вниз со склона горы маленький камешек вызывает лавину. Такие неустойчивости и называются соответственно – лавинообразными.
Меня заинтересовало, как маленькие частицы поглощают и рассеивают свет. Хотя, замечу, эта проблема является одной из самых изученных. Она подробно обсуждается в любом учебнике по оптике. И, тем не менее, все оказалось не так просто. Где-то в начале 1980-х мне стало ясно: то, что написано в учебниках, неприменимо в некотором важном частном случае. Долго думал, как решить эту задачу, и наконец понял, что и пытаться не надо – все давно известно. В 1908 году немецкий физик Густав Ми опубликовал точное решение задачи о рассеянии света шаром, которое просто обязано было содержать и частный случай, заинтересовавший меня.
Однако решение Ми очень сложное, и “мой” частный случай оказался там запрятан в громоздких формулах. Надо было его оттуда извлечь, что я и сделал. Так появилась работа, опубликованная в 1984 году в самом престижном советском общефизическом издании – “Журнале экспериментальной и теоретической физики”, который тогда уже переводил на английский язык Американский институт физики.   
Обычно я очень тщательно работаю над своими статьями, и все же после публикации они мне не нравятся. Всегда кажется, что можно было сделать лучше и сказать яснее. Но эта статья стала редким исключением. Она не разочаровала меня даже после выхода в свет. Казалось, что полученные результаты интересны и четко изложены. Однако никакого отклика материал не вызвал, ни одной ссылки на него не появилось в научной литературе…
Прошло без малого 20 лет. Меня занесло в Японию, где я стал штатным профессором одного из университетов. За это время родились нанотехнологии. Проблема рассеяния света наночастицами была чрезвычайно актуальна и нашла множество приложений в самых различных областях, в том числе передачи, обработки и хранения информации. Тогда ко мне обратился мой старый друг и коллега профессор Борис Семенович Лукьянчук, который работал в Сингапуре, в Институте хранения информации (Date Storage Institute).
Борис написал мне, что столкнулся с парадоксом: он рассчитал интенсивность рассеяния света наношариком сначала по формулам из учебника, потом – по точным, но громоздким формулам Ми. Результаты оказались не просто разными, они отличались в несколько сотен раз. Борис спрашивал, нет ли у меня каких-либо соображений на этот счет. Я ответил, что есть не только соображения, но и опубликованная статья. В том случае, который он рассматривал, формулы из учебника не работают, а применимы другие, которые я вывел в 1984 году.
Вместе с Борисом мы стали разрабатывать это направление и нашли много новых интересных эффектов, о которых тогда я просто не думал. Потом, как это обычно бывает в науке, к этим исследованиям подключились другие специалисты. И теперь тот тип рассеяния, о котором я написал в 1984 году, называется аномальным рассеянием. Вот и вся история.
– Справедливость восторжествовала: через 20 лет ваша работа получила признание?
– Не было никакой несправедливости. Просто я сделал работу слишком рано, когда она никому не была интересна. В науке такое бывает. Подобные исследования остаются незамеченными и, как правило, забываются. Безусловно, повезло, что ко мне обратился Борис Лукьянчук. Но, думаю, я бы и сам вспомнил о том, что делал 20 лет назад.
– Какова, по вашему мнению, роль везения или случайности в науке?
– Колоссальная! Не определяющая, конечно, но огромная. Ньютону упало яблоко на голову – и он открыл закон всемирного тяготения. У Рентгена, изучающего катодные лучи, случайно оказался лежащий рядом с прибором флюоресцирующий экран – и вот вам открытие Х-лучей. Анри Беккерель по рассеянности положил кусок урановой руды на неэкспонированную фотопластинку и, мало того, случайно ее проявил, пожалуйста, была открыта радиоактивность. И этот список можно продолжать еще долго…
Правда, одной случайности мало. Надо быть Ньютоном, чтобы из упавшего яблока вывести закон всемирного тяготения. Моя бабушка, бывало, говорила: “Каждый может найти на дороге золотую монету, но один отнесет ее в кабак, а другой откроет на эти деньги свое дело”. В этом вся суть: не пройти мимо своего открытия.
– Значит, если бы не случайность, до сих пор не было бы у нас ни закона всемирного тяготения, ни рентгеновских аппаратов, ни атомных электростанций?
– Конечно, были бы! Но не напиши Лев Толстой “Вой­ну и мир”, мы бы никогда не прочитали этот великий роман. Если бы не Чайковский – не было бы “Лебединого озера”. Не будь Гауди – не видать нам храма Святого Семейства… А в науке не так. Наука качественно отличается от других видов творческой деятельности хотя бы тем, что, как это ни покажется парадоксальным, ученые ничего не создают. Только открывают созданное Богом при сотворении мира. И если закон природы не поддался одному ученому, рано или поздно с ним справится другой. Прогресс остановить нельзя.     
– Какие перспективы сегодня открывает ваша давняя работа?
– Тогда я рассматривал эффекты, возникающие в дальней волновой зоне, то есть на больших (по сравнению с длиной волны падающего электромагнитного излучения) расстояниях от частицы. Сегодня наибольший интерес представляет то, что происходит на близких расстояниях и в самой частице. Как оказалось, там случается много необычного.
– Вернемся к вашей недавней публикации с описанием “волшебного” шарика (Scientific Reports 5, 12288 (2015)). Объясните, пожалуйста, как он работает.
– Это довольно сложно, но попробую. Эффект нашего шарика состоит в том, что мы сумели заставить контролируемо интерферировать различные волны, которые он испускает под действием падающего на него излучения. В результате рассеянное шариком излучение усиливается в одних направлениях и подавляется в других. Причем направления эти можно менять по нашему усмотрению за счет незначительного изменения частоты падающего излучения. В этом – суть нашей работы. Теорию явления мы разработали совместно с моим испанским коллегой профессором Фернандо Морено (Fernando Moreno). А очень тонкий эксперимент, который полностью подтвердил теоретические предсказания, поставила группа французских коллег из Института Френеля в Марселе.
Что касается практических результатов, то лучше на этот вопрос ответят инженеры. Физики не разрабатывают конкретные устройства, а открывают явления, которые можно использовать. А можно и не использовать. Ведь никто не скажет заранее, что удастся освоить, реализовать, а что – нет. Когда в 1938 году физик Отто Ган расщепил ядро урана, это был чисто научный эксперимент, не имеющий никакого практического значения. А какие последствия имело его открытие!
– Да, про бомбардировки Хиросимы и Нагасаки знают все…
– И вины Отто Гана в этом нет, даже косвенной. Сами по себе научные открытия не несут в себе ни негативного, ни позитивного начала. Все зависит от того, в чьи руки они, открытия, попадут. Альфред Нобель изобрел динамит для безопасного проведения горных работ. А убить человека, при желании, можно и ножницами.
– И все-таки, напомните о практическом применении вашей работы.
– Это системы передачи, обработки, записи и хранения информации и разнообразные оптические устройства нового поколения, такие как оптические наноантенны или оптические компьютеры, где вычисления будут проводиться с помощью световых, а не электрических импульсов. Это и диагностика, а также лечение различных заболеваний, включая онкологические, и многое другое.
– Остается только пожелать, чтобы следующая ваша работа 20 лет не дожидалась признания.
– Спасибо. Это очень актуально, учитывая мой возраст.

Беседовал Юрий Дризе
Фотоснимки предоставлены М.Трибельским

Нет комментариев