Цивилизация
Миражи в оптическом диапазоне хорошо известны как красивое и загадочное явление, зарождающееся в атмосфере Земли. Всем известны примеры миражей в пустыне, когда утомленный путешественник видит на земле нечто похожее на воду. Да и на раскаленном асфальте тоже иногда можно наблюдать ненастоящие лужицы.
Главная причина возникновения миражей — сильная неоднородность воздуха из-за разного прогрева его слоев. Распространение лучей в такой среде далеко от прямолинейного (очень сильно различаются показатели преломления различных слоев воздуха), и в итоге наблюдатель вместо отдалённого объекта (или одновременно с ним) видит мнимый объект — изображение реального, смещённое относительно оригинала.
Как оказалось, миражи можно наблюдать не только в оптике, но и в рентгеновском диапазоне.
Впервые это удалось сделать международной группе ученых, в которую вошли сотрудники Московского государственного университета. Данная публикация вышла в июне в журнале Nature Communications.
Впервые наблюдать мираж в рентгеновском диапазоне спектра ученым удалось при изучении свойств рентгеновского лазера.
Всем известны оптические лазеры (например, лазерная указка или оформление светомузыкальных шоу). Но усиление излучения (а лазер представляет собой не что иное, как квантовый генератор, ибо слово LASER — акроним light amplification by stimulated emission of radiation (усиление света посредством вынужденного излучения) может происходить не только в оптическом диапазоне. Идея рентгеновских лазеров существует уже много лет. Впервые она была обоснована в 1973 году на кафедре общей физики и волновых процессов физфака тогдашним ректором МГУ Ремом Хохловым. А в 1981 году о возможности создания рентгеновских лазеров с ядерной накачкой заявили американцы и на этой основе разработали свою знаменитую космическую программу «Звездных войн».
Сейчас рентгеновские лазеры уже вовсю работают не на войну, а на науку, а традиции, заложенные 40 лет назад на физфаке МГУ, продолжают жить.
Российские физики, обнаружив мираж в рентгеновском диапазоне, произвели поиск физических основ явления, в результате чего им удалось не только определить условия, необходимые для формирования в рентгеновском лазере миражей, но и впервые разработать теорию их возникновения.
«Мы построили общую теорию миража, и, насколько мы понимаем, в оптике ее раньше не было — имелось только качественное объяснение», — заявил один из авторов работы, доцент кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ Сергей Магницкий.
Работая с рентгеновским лазером, исследователи наблюдали чередование темных и светлых колец — интерференционную картину рентгеновских лучей от двух когерентных источников. Явление было необычным, ведь в лазере источник (генератор) излучения, вообще говоря, один. «Происхождение этих колец было исключительно странным и на первый взгляд совершенно необъяснимым», — рассказывает Магницкий. Однако вскоре удалось разобраться в этом явлении и объяснить его природу, в том числе математически.
В обычных средах показатель преломления для рентгеновского излучения очень мало отличается от единицы.
По этой причине до сих пор, несмотря на более чем столетнюю историю широчайшего применения рентгеновского излучения, миражей в этом диапазоне не наблюдалось.
Появление мощных лазерных установок полностью изменило ситуацию, так как позволило создавать новую среду — плазму с электронной плотностью, превышающей 1019см-3, где рефракция рентгеновского излучения (рефракция — преломление рентгеновских лучей — в такой среде появляется, потому что в ней возможны сильные неоднородности электронной плотности; по сути, только к подобного рода неоднородностям рентгеновские лучи и «чувствительны») играет большую роль. К таким средам относятся, например, активные среды рентгеновских лазеров.
Для описания наблюдаемого феномена ученым удалось разработать универсальный алгоритм: они вывели уравнение, с помощью которого математически можно описать не только рентгеновский, но и любой другой мираж.
Для расчета распространения рентгеновских лучей в плазме ученые МГУ изобрели специальный подход, где учитывались ее гидродинамические параметры. Они показали, что в плазме создается второй, мнимый, источник излучения, который жестко связан по фазе с генератором — иными словами, когерентен с ним. Взаимодействие излучения этих источников приводит к образованию интерференционной картины — по сути, миража, но с новым отличительным свойством — когерентностью.
По словам Сергея Магницкого, результаты работы можно дальше развивать в двух интересных практических направлениях. Во-первых, это рентгеновские голограммы, которые реализуемы из-за возникновения в плазме двух когерентных рентгеновских источников. Причем изображения объектов могут быть получены с очень высоким разрешением — порядка 10 нм. «В этом направлении мы уже активно работаем», — говорит ученый. Во-вторых, это так называемый клоукинг — специальные покрытия, с помощью которых объекты делают невидимыми. «В оптике здесь достигнуты определенные успехи, — рассказывает Магницкий. — Теперь представьте, что в оптическом диапазоне все готово: достигнута невидимость каких-то вещей.
Но если использовать рентгеновский источник излучения, то все они сразу станут видны.
Раньше казалось, что клоукинг здесь невозможен, поскольку эффект от него, по сути, разновидность миража, а рентгеновских миражей никто до нас не наблюдал. Наши результаты открывают возможность хотя бы начать думать о таких покрытиях, которые бы сделали объекты невидимыми и в рентгене». «Но клоукинг в рентгене — это перспектива весьма далекого будущего», — добавляет ученый.