Жанр: Наука
Диалоги 08. август 2003 г
...ассматривать как
плоскую волну.
При соблюдении этих условий можно ввести основную величину феноменологического
подхода, лучевую интенсивность, которая определяет поток энергии излучения в
заданном направлении, и эти лучевые интенсивности, согласно феноменологическому
подходу, действительно можно просто складывать между собой, не учитывая фазы
волн. Но, тем не менее, эта лучевая интенсивность определяет не только поток
энергии излучения, но является и угловым спектром волнового поля, и таким
образом позволяет определить, каким образом свойства когерентности излучения
изменяются при распространении в рассеивающую среду.
При таком микроскопическом обосновании феноменологических представлений удалось
детально проследить за тем, как происходит дифракция волны при многократном
рассеивании на неоднородностях и как при этом изменяется свойство когерентности
волнового поля. Собственно говоря, здесь упомянутый результат Ван Циттерта и
Цирника, касающийся свойств когерентности источника теплового излучения был как
бы вмонтирован в феноменологические представления о переносе излучения на основе
микроскопических представлений.
Но здесь нужно, пожалуй, опять вернуться к сформулированному критерию
применимости феноменологических представлений о переносе излучения в
рассеивающей среде. Как было уже сказано, можно выбросить все петли с повторным
рассеянием на одном и том же рассеивателе. Но спрашивается: можно ли их
действительно выбросить? А не дают ли они всё-таки большой вклад? Тогда
феноменологические представления могут оказаться просто не обоснованными.
Но как показывает рассмотрение, большинство петель действительно дают маленький
вклад, и в этом можно убедиться таким образом. Ведь у нас частицы имеют
случайное распределение в пространстве. Мы можем их случайно сдвинуть в каждой
петле. При этом случайно изменяются набеги фаз волн, которые рассеиваются на
частицах петли, и вклад петли становится малым. Однако всё-таки существуют
такого рода петли, вклад которых остаётся заметным даже при таком случайном
смещении частиц, которые входят в петлю. И анализ этих специальных процессов
повторного рассеивания излучения на одном и том же рассеивателе привёл в 69-73-м
годах к предсказанию нового явления - слабой локализации излучения в
рассеивающей среде. А это явление слабой локализации излучения оказалось
предвестником так называемой сильной локализации Андерсона, и вызвало большой
интерес как с точки зрения теоретического рассмотрения, так и с точки зрения
эксперимента, и вообще заставило пересмотреть основные представления
феноменологической теории переноса излучения - и даже в целом представления о
переносе излучения в рассеивающих средах.
Дальше я хотел бы остановиться на некоторых вопросах, связанных с локализацией
излучения с точки зрения опять-таки феноменологических представлений. В 58-ом
году, как известно, была опубликована работа американского физика Андерсона,
который показал, что в некоторых решётках, в некоторых решётчатых системах, в
узлах которой расположены притягивающие потенциалы, электроны перестают
диффундировать, если внесён достаточный беспорядок в распределение этих
потенциалов в узлах решётки. То есть электрон остаётся на том месте, где он был
в начальный момент. Андерсон показал, что в трёхмерных решётках это явление,
получившее название локализации Андерсона, наступает только в том случае, если
беспорядок достаточно большой. Но вслед за Андерсоном вскоре было показано, что
в одномерных цепочках такое состояние локализации существует при любом, сколь
угодно малом беспорядке.
Интересно ещё вот что. Работа Андерсона была опубликована в 58-ом году, а через
год, в 59-ом году (на что как-то не очень обращают внимание в западной
литературе) появилась хорошая работа Герценштейна и Васильева о распространении
излучения через волновод со случайными неоднородностями. При этом Герценштейн и
Васильев показали, что в таком случае коэффициент отражения волны от куска
волновода стремится к единице, а коэффициент прохождения стремится к нулю - в
соответствии с законом сохранения энергии - с увеличением длины волновода.
Причём существенно, чтобы коэффициент прохождения стремился к нулю не обратно
пропорционально длине куска волновода, как можно было ожидать согласно
феноменологическим представлениям, а экспонциально быстро.
Наконец в 69-ом году Газарян примерно такого же рода задачу рассмотрел без
всякого волновода, а просто в одномерной, случайной единородной среде в
неограниченном пространстве. Газарян рассматривал совокупность тонких
диэлектрических экранов, которые были случайно расположены вдоль направления
распространения волны. Вот такая одномерная, случайная единородная среда, и
Газарян в ней тоже получил явление, тоже получил результат, согласно которому
коэффициент прохождения становился экспонциально мал с увеличением толщины такой
среды.
Эти явления локализации, которые были предсказаны в работах Андерсона,
Герценштейна и Васильева, Газяряна, в обстоятельных работах Кляцкина, сделали
проблему условий применимости феноменологических представлений о переносе
излучения в рассеивающей среде весьма актуальной. Действительно, эти результаты
показывали, что в одномерных средах эти феноменологические представления о
переносе излучения совершенно не применимы. Хотя до работ Герценштейна и
Васильева, Газаряна феноменологические представления без всяких оговорок
применялись и к одномерным средам, то есть исследователи не предполагали, что в
одномерных-то средах эти феноменологические представления совершенно непригодны.
Но как же быть с трехмерными средами, к которым обычно эти феноменологические
представления и применяются? Есть ли там какие-нибудь аналоги такого рода
явлений локализации? Из работ Герценштейна и Васильева, Газаряна относительно
трехмерных сред об этом ничего сказать нельзя было, эти работы ничего
относительно трехмерных сред не говорили. В работе Андерсона говорилось
относительно трехмерных решёток, но всё-таки эта работа относилась скорее к
физике твёрдого тела, а не к распространению волн в рассеивающих средах.
В то время создавалось впечатление, что должно существовать новое физическое
явление, удовлетворяющее следующим условиям. С одной стороны, конечно, это
явление должно происходить в трехмерной рассеивающей среде, и оно должно быть
аналогично явлению локализации в одномерной среде, хотя бы в слабой форме. А с
другой стороны, это явление должно было бы примыкать всё-таки к
феноменологическим представлениям о переносе излучения. И такое явление, которое
впоследствии получило название "слабой локализации в трехмерных рассеивающих
средах", действительно было найдено в работах 69-73 годов.
Я хочу попросить ещё раз показать картинку четыре. Поскольку в этом явлении как
раз играют существенную роль эти повторные рассеяния излучения на одном и том же
рассеивателе. Пожалуйста, подержите эту картинку подольше, пока я не дам отбой,
она имеет принципиальное значение.
Я здесь вынужден опять вернуться ненадолго к сформулированному критерию
применимости феноменологических представлений о переносе излучения. Там было
сказано, что, согласно этим представлениям, нужно выбросить все вот такие петли,
которые описывают рассеяние на одном и том же рассеивателе. И было замечено, что
всё-таки среди этих петель существуют такие процессы, которые дают заметный
вклад в перенос излучения, даже если отдельные частицы в каждой петле случайно
пошевелить для рассогласования фаз.
Эти петли имеют следующее строение. Здесь они показаны на верхнем рисунке. Это
такие петли, в которых одна волна распространяется от фиксированного
рассеивателя в одном направлении и возвращается к этому фиксированному
рассеивателю, а другая волна распространяется в обратном направлении. И две
такие волны идут от заданного рассеивателя вдоль петли, возвращаются опять к
заданному рассеивателю - но идут в разных направлениях. Существенным свойством
такого процесса является то, что в нём фазы прямого и обратного каналов
рассеяния между собой согласованы. И поэтому такие волны, распространяющиеся в
прямом и обратном направлениях, могут проинтерферировать. И таким образом такая
петля даёт заметный вклад, но феноменологическими представлениями никак не
описывается.
Теперь, собственно говоря, можно поступить следующим образом. Как же эту волну
пронаблюдать экспериментально? Этот рассеиватель, эту частицу, на которой
происходит повторное рассеяние, её мысленно можно раздвоить, и одну половинку
заменить на приёмник, на источник излучения, а другую - на приёмник, и вынести
такую раздвоенную частицу источник-приёмник вне среды. Тогда такое явление можно
зафиксировать экспериментально, и оказывается, что учёт всех таких явлений даёт
весьма большой вклад. Собственно говоря, результат получается такой же, как и
согласно феноменологическим представлениям, это добавка к таким
феноменологическим представлениям. Стало быть, согласно этому результату,
феноменологические представления дают стопроцентную погрешность, то есть
совершенно ошибаются. Но всё это происходит в узком конусе направлений рассеяния
назад. Этот конус по ширине определяется отношением длины волны к длине
свободного пробега. В лабораторных условиях этот конус составляет где-то одну
сотую радиана, и, стало быть, он изымает из общего потока рассеянного излучения
ничтожно малую долю, и таким образом не мешает применимости феноменологических
представлений.
Но это явление, наличие такого конуса когерентного усиления обратного рассеяния,
которое было в 69-73 годах теоретически обнаружено, потом экспериментально было
открыто в 85 году тремя группами. Одна группа в Соединённых Штатах, в Сиэтле,
группа Исимару, группа Лахендайка в Амстердаме и группа Маре в Гренобле. И после
того как это явление было открыто, оно вызвало очень большой интерес. Надо
сказать, что интерес был не меньше, чем интерес, вызванный работой Андерсона о
локализации в решётках. А за эту работу Андерсон стал лауреатом Нобелевской
премии, потому что работа эта имела очень большое значение для неупорядоченных
веществ с примесями, и при исследовании вопросов проводимости через такие
вещества. И тем не менее, эффект когерентного усиления обратного рассеяния
вызвал не меньший интерес. И начиная с 85 года, и по настоящее время этот эффект
постоянно исследуется разными группами, и прошёл почти через все оптические
лаборатории мира. В общем-то эффект этот оказался универсальным, он связан с
самыми общими представлениями о переносе излучения, он применим в любом,
конечно, диапазоне, и в СВЧ, и для акустических волн - для каких угодно волн и
для разных сред.
И в то же время, собственно говоря, наличие такого эффекта когерентного усиления
обратного рассеяния с узким конусом, оно и на качественном уровне решило
проблему применимости феноменологических представлений о переносе излучения. И
эти представления были согласованы с микроскопическими представлениями, даже с
явлением локализации излучения в рассеивающих средах. И, кстати говоря, этот
эффект, связанный с такими петлями, который получил название эффекта слабой
локализации, он проливал физический смысл и на локализацию Андерсона. Потому что
здесь всё интерпретировалось наглядным образом, и вот эти петли, которые здесь
нарисованы, они почти экспериментально так и обнаруживались, например, в
экспериментах Лахендайка в Амстердаме.
Таким образом, было осознано взаимодействие фенологических представлений о
переносе излучения с явлениями локализации. Да, кстати говоря, будьте добры,
покажите, пожалуйста, картинку пять, чтобы уже к этому вопросу не возвращаться.
Картинка пять, собственно говоря, поясняет экспериментальную схему того, как
происходит эффект когерентного усиления обратного рассеяния, именно это и
наблюдается в эксперименте. Здесь описан один луч, который идёт от источника и
пробегает какую-то систему частиц, рассеивается на них и возвращается обратно к
приёмнику. А другой луч, из источника, пробегает ту же самую систему частиц, но
в обратном направлении и возвращается к приёмнику под некоторым углом. Этот
уголочек, который обозначен буквой "тета", и есть конус усиления обратного
рассеяния. Если он не слишком велик (порядка отношения длины волны к длине
пробега, это для лабораторных условий где-то одна сотая радиана), то этот эффект
наблюдается и фиксируется. Но здесь нужно сделать такую оговорку. Почему был
такой большой разрыв? Эффект был предсказан в 69-73 годах, а наблюдение его
осуществилось только в 85 году. Такой разрыв, видимо, был связан с тем, что для
наблюдения этого эффекта из-за этого маленького конуса нужны были специальные
среды с хорошо контролируемыми параметрами. То есть эти среды должны были
состоять из одинаковых частичек - одинакового размера и с одинаковым показателем
преломления. Такие среды в виде эмульсий латекса в воде стали, по моим
сведениям, изготавливаться как раз где-то к 85 году немецкой химической
промышленностью и были использованы для постановки такого рода экспериментов.
И, пожалуйста, покажите ещё рисунок 6. Рисунок 6 представляет собой те кривые,
которые наблюдаются в эксперименте, когда исследуется это усиление обратного
рассеяния. То есть наблюдение идёт в направлении назад, в узком конусе, здесь
это где-то от нуля до десяти микрорадиан, одна сотая радиана. И в направлении
рассеяния назад, в самом пике происходит это усиление обратного рассеяния. То
есть пьедестал, который по краям расположен, это то, что обычно наблюдается
согласно феноменологической теории переноса. А этот пик, это как раз вклад
петель повторного рассеяния.
Кстати говоря, в 73 году, когда мы обнаружили такой эффект, мы обращались к
экспериментаторам, которые у нас занимались теорией переноса, и они говорили:
"Ну, что это за эффект, вот сколько мы экспериментов не делали, ничего подобного
нет". Понятно, почему нет. Потому что здесь требовались, во-первых, специальные
среды с хорошо контролируемыми параметрами. А во-вторых, нужна была очень
высокая разрешающая способность, нужно было разрешать углы, в сотые доли
радиана.
Как же дальше, начиная с 85 года, шло развитие всей этой области, связанной с
многократным рассеянием, с переносом излучения. Этот пичок когерентного усиления
обратного рассеяния оказался очень интересным, и исследовался на протяжении
многих лет многими лабораториями мира. Самый пик, самое остриё, оказалось
связанным с диффузионными путями, которые идут в глубине рассеивающей среды. А
крылья связаны с путями, которые идут неглубоко и связаны с небольшим числом
актов рассеяния. Значит, с помощью пика можно исследовать, как распространяется
излучение в среде. Если, например, в среду ввести поглощение, то пик
скругляется, потому что длинные диффузионные пути уничтожаются поглощением. Или,
допустим, можно рассматривать конечный слой рассеивающей среды - если его
толщина невелика, то длинные диффузионные пути тоже обрезаются границами среды и
опять пик этот сглаживается. Исследовалось влияние магнитного поля на величину
этого пика, исследовалось влияние броуновского движения частиц на величину этого
пика. В общем, он оказался очень информативным, и поэтому тщательно
исследовался.
Дальше. Это явление слабой локализации было исследовано и внутри среды. Вот этот
пик связан с усилением обратного рассеяния. То есть нужно рассматривать волну,
падающую на среду, и смотреть, какая волна рассеивается в обратном направлении.
А можно поставить другой эксперимент, по крайней мере, мысленный. Взять источник
в неограниченной среде и смотреть, как там эти эффекты повторного рассеяния
излучения на одном и том же рассевателе влияют на диффузию излучения от этого
источника. Я сейчас прошу показать картинку 7.
А.Г. Учтите только, что у вас остаётся на самом деле мало времени.
Ю.Б. Тогда я буду сокращаться.
В таком эксперименте, когда источник располагается внутри рассеивающей среды,
речь идёт о коэффициенте диффузии излучения. И из-за вклада такого рода эффектов
повторного рассеяния на одном и том же рассеивателе коэффициент диффузии
уменьшается, диффузия замедляется. И исследователи этим интересовались по той
причине, что можно найти такой режим в среде, когда коэффициент диффузии
обращается в ноль и наступает настоящая локализация Андерсона. Были сделаны
многочисленные попытки такой малый коэффициент диффузии обнаружить, и публикации
были об этом. Но в конечном итоге выяснилось, что коэффициент диффузии может
становиться малым не только вследствие эффекта повторного рассеяния, но и
вследствие так называемого эффекта пленения, когда излучение влетает в отдельный
рассеиватель, и задерживается в этом рассеивателе на некоторое время, если речь
идёт об импульсном излучении. Такое импульсное излучение может на некоторое
время задержаться в диэлектрической частице, если её диэлектрическая
проницаемость достаточно высокая, это тоже приводит к замедлению процесса
диффузии.
В общем, на пути, который идёт от феноменологических представлений, от
представлений о длине свободного пробега, то есть, по сути дела, от
представлений, заимствованных из кинетической теории газов, до сих пор,
насколько мне известно, не удалось достаточно определённо подойти к тому, чтобы
обнаружить и экспериментально и понятно объяснить явление локализации излучения
в рассеивающих средах. Поэтому, где-то с начала 90-х годов, согласно предложению
канадского физика Джона, стали идти с другого конца, со стороны плотных сред в
попытке объяснить и обнаружить явление локализации в трехмерных рассеивающих
средах. Ещё давно было замечено, что если среда, скажем, из сферических частиц,
плотно упакована, то в этой среде просматривается некоторый порядок. Поэтому
можно пойти по следующему пути. В качестве нулевого приближения взять систему,
скажем, диэлектрических сфер и расположить их в узлах кубической решётки,
сделать такой искусственный кристалл - их так и называют фотонные кристаллы.
Вместо атомов поместить диэлектрические сферы, а вместо электронов запустить или
свет, или СВЧ электромагнитное излучение, то есть фотоны, и смотреть, что здесь
будет происходить. Известно, что когда электрон движется в периодическом
потенциале, то его энергетический спектр имеет зонную структуру, то есть имеются
такие интервалы энергии электрона, когда он не проходит через кусок такой среды.
Для таких фотонных кристаллов такое свойство тоже было обнаружено, покажите,
пожалуйста, картинку 11. Было довольно простым расчётом показано, что происходит
при прохождении через такой фотонный кристалл. Он здесь состоит из цилиндров,
перпендикулярных экрану, и центр этих цилиндров расположен в углах квадратной
решётки. Здесь есть определённые зоны, они обозначены чёрным цветом и провалами
в кривых - это коэффициент прохождения через такой фотонный кристалл. Если взять
небольшое количество слоёв, здесь 18, а можем взять и 4 таких слоя. Излучение
через такой фотонный кристалл уже не проходит, и могут быть случаи
экспоненциального спада. То есть здесь, в таком нулевом приближении, в такой
конструкции наблюдается уже непрозрачность такой структуры по прохождению.
А далее, для того чтобы приблизиться к явлению локализации, надо в такой
кристалл ввести беспорядок, как это Андерсон делал в своей работе 58 года.
Допустим, пошевелить эти цилиндрики около их центров. И, согласно работам
китайских исследователей, при этом запрещённые зоны для прохождения излучения
несколько деформируются, но всё-таки сохраняются.
Собственно, на этом я могу закончить.
А.Г. Спасибо большое.
Дно океана
20.08.03
(хр.00:48:51)
Участник:
Александр Петрович Лисицын- академик РАН
Александр Лисицын: ...они перевернули наше представление не только о мировом
океане (а мировой океан включает также и все морские водоёмы), но и
представления, которые господствовали сотни лет в области наук о земле в целом.
Но прежде всего, что это за наука - океанология, представителем которой я
являюсь и которой занимаюсь уже больше 50 лет? Это наука о физике, химии,
геологии и биологии океана. Сейчас она стала совершенно другой, по сравнению с
тем, что было, скажем, 50 лет тому назад. Я постараюсь о главных открытиях
рассказать. И то, что было сделано за эти годы, привело к революции в наших
представлениях о Земле в целом, о взаимодействии между основными сферами, хотя
это звучит несколько, может быть, казённо. Но если говорить популярным языком,
то это взаимодействие всей системы геосфер Земли в целом.
За последние 50 лет, начиная с первого рейса "Витязя"... Это был крупнейший в
России и в мире исследовательский корабль, который начал свои работы на Дальнем
Востоке в 49-ом году, и который провёл 25 рейсов в дальневосточных морях. Что
значит 25 рейсов? Это тоже надо как-то объяснить. Каждый рейс, это участие в
работах на корабле в 50-60, иногда 90 учёных. И они находятся в море на
протяжении 2-3 месяцев. То есть это научный коллектив, плавучий научноисследовательский
институт, в котором вначале было порядка 10-12 лабораторий с
приборами, а сейчас на наших новых кораблях их больше 20-ти.
И надо сказать, что с самого начала наша советская и российская океанология
стала лидирующей во всём мире. И это лидерство сохранялось вплоть до
перестройки. Сейчас мы, конечно, всё это потеряли, и об этом приходится с
сожалением вспоминать. Но представьте себе, что вы находитесь на этом корабле,
водоизмещением в 6 тысяч тонн (это как большой пассажирский корабль), где в
лабораториях идут эксперименты - всё необходимое для того, чтобы эта научная
идея, задача, которая ставится перед экспедицией, могла бы быть выполнена
непосредственно в ходе работ.
Зарубежная экспедиция работала совершенно не так. И многие другие работают также
не так. Это маленькие корабли, которые собирают материал. А у нас получается,
что каждый корабль - это плавучий научно-исследовательский институт. И
начиналось это в 49-м году с одного "Витязя", а потом в 60-70-е годы в Институте
океанологии, который я представляю, было 6 таких больших кораблей. Итак,
одновременно работает 6 кораблей, на каждом, скажем, по 60 учёных, - значит,
одновременно в разных частях океана находится порядка 300-400 учёных, которые
круглосуточно ведут исследования, обрабатывают их результаты и немедленно на
основе этой обработки можно принимать оперативные решения - что делать дальше?
А зарубежные, включая и американские, экспедиции, работают совершенно иначе, как
я уже говорил. Они собирают материал, потом возвращаются, его анализируют, и
никаких оперативных решений принять при такой работе нельзя. И только сейчас, по
прошествии уже нескольких десятилетий, зарубежные учёные восприняли ту методику
работ, которая называется российской. И сейчас крупнейшие корабли восприняли
практически нашу систему работы - в частности, крупный (такой же крупный, как
наши) немецкий исследовательский корабль "Полярштерн".
Раньше никаких лабораторий на кораблях не было. Считалось, что им помешает
качка, вибрация, сырость и всякое прочее. Но всё это удалось преодолеть. И я на
это хотел бы обратить внимание, потому что как-то принято считать, что у нас всё
отсталое, всё какое-то не такое.
И всё это развитие привело к тому, что и нашими учёными и зарубежными учёными
были сделаны те открытия, о которых я как раз и хотел рассказать, открытия,
которые буквально перевернули не только науки о Земле, но, может быть, и многие
смежные с ними науки.
Прежде всего, это поверхность дна, которая всегда считалась достаточно ровной. В
ходе этих работ выяснилось, что дно устроено совершенно не так, как
представляли. Открыты гигантские подводные хребты, подводные горы и
глубоководные впадины. Сейчас известно, что максимальная глубина мирового океана
составляет 11023 метра. И это тоже открыл наш "Витязь", флагман в своё время
нашего исследовательского флота.
Кроме того, обнаружено, можно сказать, совершенно уникальное явление - хребет на
дне океана, равного которому и по размерам, и по строению на суше нет. Это так
называемая система срединно-океанских хребтов. Это удивительная совершенно и
ранее неизвестная система, которая, во-первых, едина во всех океанах, и проходит
более-менее по середине. Мы можем это, очевидно, увидеть сейчас на карте,
которую я хотел показать. Вот это общая карта дна мирового океана, рельефная
карта. А вот отдельная - для Тихого океана - более детальная. В восточной части
Тихого океана видно простирание этого срединного хребта. Такие же и в
Атлантическом есть хребты, и в Индийском.
Так в чём замечательная особенность этих хребтов? Первое, они 60 000 км
протяжённостью. А второе, они имеют совершенно особую форму, это крутые довольно
склоны, а в середине - там, где находится вершина, - глубокое ущелье, глубиной в
километр, иногда в два километра. И на дне этого ущелья происходят извержения
подводных вулканов, находятся выходы гидротерм, это выходы горячих растворов,
богатых металлами и с температурой до 400 градусов Цельсия.
Вы спросите, каким образом 400 градусов, когда обычно вода закипает при ста? Но
здесь давление порядка 300-350 атмосфер, и в этих областях происходит
современное рудообразование. Происходит то, что, как считалось, происходило
многие миллионы лет тому назад и что было главным источником меди, скажем, и
других металлов, с которых начиналась человеческая культура. Считалось, что это
всё древние явления. На самом деле это всё идёт сейчас и приблизительно в тех же
масштабах, как шло миллионы лет тому назад.
Это первое. Теперь второе. Ещё более важная вещь это то, что в этих срединных
хребтах происходит как бы раздвижение дна - и это доказано сейчас с помощью
спутниковых систем и других методов. Скорость этого раздвижения в разных местах
колеблется от 1 до 12-16 сантиметров в год. Это кажется небольшой величиной, но
если умножать на тысячи и на миллионы лет, то получается, что движутся эти
участки дна по нормали от срединного хребта. Одновремен
...Закладка в соц.сетях
