Возможно, не все читатели знают об уникальном в своём роде эксперименте Николая Геннадиевича Басова, советского физика – разработчика нескольких поколений лазеров, удостоенного Ленинской и Нобелевской премий за свои научные работы. В 1963 г. группа сотрудников лаборатории квантовой радиофизики Физического института академии наук СССР имени П.Н. Лебедева под руководством Басова поставила эксперимент, первоначальной целью которого была проверка идеи об увеличении мощности лазера за счёт сжатия излучаемого импульса. Схема экспериментальной установки приведена ниже.
От рубинового генератора луч поступал на вход оптического делителя и по волноводу 1 попадал на вход оптического усилителя с выхода, которого через 1-й фотодетектор регистрировался на входе высокоскоростного осциллографа. Второй луч по волноводу 2 попадал на второй фотодетектор и далее сигнал регистрировался на втором входе высокоскоростного осциллографа. В исходном состоянии, при выключенном оптическом усилителе в первом канале, система была откалибрована таким образом, что оба сигнала совпадали по времени прихода на вход осциллографа.
Ожидалось, что после включения усилителя фронт сигнала в первом канале станет круче и соответственно увеличится количество энергии, передаваемой этим световым потоком за ту же единицу времени. Т.е. таким образом предполагалось увеличить мощность рубинового лазера. На практике был зафиксирован несколько иной результат.
Феноменальное ускорение красного сигнала было совершенно неожидаемым и необъяснимым. Получалось, что сигнал с выхода усилителя попадал на вход осциллографа мгновенно и даже ещё быстрее. Теоретический расчёт времени движения по тракту усилителя между волноводами L2 и L4 давал время порядка 1,6 наносекунды, а в реальных измерениях уверенно фиксировалось опережение на целых 9 наносекунд. Данный опыт был многократно проверен, в том числе и в других лабораториях. Сотрудники Басова в ходе этих экспериментов надёжно установили, что величина опережения сигнала строго связана с длиной оптического канала, между выходом генератора и входом усилителя. Чем длиннее канал L1+L2, тем больше время между двумя сигналами. Внятного объяснения результатов этих измерений тогда найти не удалось. Впрочем, достаточно убедительного теоретического обоснования полученным результатам нет до сих пор. Если конечно не считать такими объяснениями статью Басова, Летохова и др. «Скорость распространения мощного импульса света в инверсно заселённой среде», опубликованной по горячим следам в 1965 году. В этой статье была предпринята попытка теоретически обосновать мгновенную транспортировку фотонов за счёт некой «сверхсветовой» скорости переднего фронта импульса в тракте усилителя, приводящей к тому, что «импульс появляется на выходе ячейки до того как он входит в неё» (под ячейкой авторы этого утверждения понимали оптический усилитель). При этом как в прошлом веке, так и сегодня находятся люди, пытающиеся интерпретировать данные результаты как надёжное экспериментальное опровержение постоянства скорости света и отрицание способности современной теоретической физики объяснить этот феномен. Хотя я не являюсь сторонником специальной теории относительности, постулирующей постоянство скорости света, однако в данном случае с моей точки зрения подобного рода интерпретаторы занимаются явной спекуляцией, или как гласит народная пословица – наводят тень на плетень. Чтобы доказать это предлагаю вашему вниманию, уважаемые читатели, собственный анализ данного эксперимента.
Начнём с того, что поближе познакомимся с устройством лазерного усилителя. В установке Басова был задействован рубиновый лазерный усилитель бегущей волны. Конструктивно такой усилитель подобен лазерному генератору с рубиновым стержнем с той разницей, что торцы рубинового стержня оптического усилителя не посеребрены. Серебрение торцов рубиновых стержней в лазерных генераторах делают для так называемой «накачки», когда многократно отражённые от торцов рабочего канала фотоны накапливают энергию и могут покинуть рубиновый стержень только при достижении определённого уровня энергии. В оптических усилителях накачку осуществляют за счёт внешнего дополнительного источника фотонов. Кроме этого для увеличения коэффициента усиления, как правило, оптические усилители собирают из нескольких каскадов рубиновых стержней, между которыми устанавливают оптоэлектронные гираторы, пропускающие излучение лазера только в одну сторону. Это делается для исключения случайного обратного прохождения фотонов с входа одного усилителя на выход другого. Оптический усилитель в установке Басова накачивался лампами накаливания, которые формировали некогерентный поток высокоэнергичных фотонов в теле рубинового стержня. Проходящий сквозь рубиновый стержень усилителя полезный (направленный) поток фотонов поглощал часть энергии некогерентных фотонов и покидал усилитель с более высоким уровнем энергии. Такова вкратце общая логика работы оптического усилителя на рубиновом стержне.
Далее рассмотрим более детально работу оптического усилителя сразу после его включения. Так как усилитель конструктивно представляет собой тот же самый лазерный генератор, то после включения ламп накаливания какая-то часть некогерентных фотонов обязательно должна формировать на выходе оптического усилителя световой пучок, направляемый гиратором в сторону фотодетектора. Дальше всё упирается в чувствительность фотодетектора. Если суммарной мощности некогерентного пучка на выходе оптического усилителя достаточно для регистрации фотодетектором, то он обязан зафиксировать эти фотоны и перенаправить соответствующий сигнал на вход осциллографа. Вот и всё объяснение загадочного мгновенного перемещения света в тракте оптического усилителя. Просто оптический усилитель в момент включения формировал на выходе собственный световой импульс, не дожидаясь прихода «полезных» фотонов от лазерного генератора. И ни на одном участке экспериментальной установки не происходило мгновенных перемещений фотонов. Все фотоны двигались со скоростью света, как им и предписано современной теоретической физикой. Именно по этой причине была зафиксирована чёткая связь между временем опережения сигнала в первом канале и длинной волноводов L1 и L2. Время прохождения сигнала по этим волноводам равно времени отставания второго сигнала от первого на входе осциллографа. Тем самым 9 наносекундам. Как это часто бывает, при внимательном рассмотрении того или иного непостижимого феномена, мистика исчезает, а остаются голые физические законы, ясно и просто объясняющие суть явления. В данном конкретном случае «необъяснимому» сверхсветовому перемещению фотонов нашлось простое и логичное объяснение. Скорость фотонов в обоих каналах была одинаковой, просто фотоны в разных каналах стартовали с различных позиций. Поэтому на финиш первыми всегда приходили фотоны оптического усилителя, опережая своих соперников на время (L1 + L2)/c.
