Само это название может вызвать у читателя недоумение. Все хороню знают, что с ново «фотография» означает запись, зарисовку светом и, что изображение на фотоснимке возникает именно в результате действия света.
На, каком же основании фотографирование света названо оригинальным экспериментом?
Начнем с небольшой подробности. Хотя при фотографировании регистрируется действие света на фотопластинку, по именно на фотопластинке свет прекращает свое существование, он просто поглощается в эмульсии. Строго говоря, на пластинке мы видим след исчезнувшего света. А вот эксперимент, о котором пойдет речь, позволяет получить снимки «живого света» - света в движении, на лету. И еще одна подробность свет фотографируется, как сказали бы фотографы, «в профиль», в то время, как на привычных снимках он заснят «анфас»
Фотографирование света на лету ещё совсем недавно можно было обсуждать лишь, как «мысленный эксперимент». Трудно было предложить реальный способ фотографирования тела, движущегося со скоростью, близкой к скорости света в вакууме, или, как обычно говорят, с релятивистской скоростью. Поэтому лишь мысленный эксперимент позволял представить себе снимок такого релятивистского тела.
Со времени появления теории относительности известно лорепиово сокращение - уменьшение размера тел в направлении движения. Этот эффект практически становится заметным лишь при релятивистских скоростях. Таким образом, можно ожидать, например, что, фотографируя «в профиль» релятивистски движущуюся сферу, мы получим на снимке эллипсоид, фигуру, сплющенную в направлении движения. Однако более тщательное экспериментирование, опять-таки мысленное, показало, что на самом деле все обстоит сложнее тело должно выглядеть на фотографии просто повернутым на некоторый угол. Хотя рассуждения, которые приводят к этому выводу, до статочно убедительны - они основаны просто на том, что свет распространяется с конечной скоростью, - для окончательного подтверждения нужен был эксперимент, но уже не мысленный, а реальный Проще говоря, нужна была фотография тела, движущегося с релятивистской скоростью. Но, как получить такую фотографию?
Есть несколько трудностей получения фотографии релятивистски движущегося тела. Прежде всего нечего фотографировать - макроскопических тел, движущихся со скоростью v, близкой к скорости света с, в природе просто пет. И неясно, можно ли их создать в лабораторных условиях. Правда, с релятивистскими скоростями движутся атомные частицы, как в естественных условиях (естественная радиоактивность), так, и в ускорителях. Но такие частицы явно не подходят для выяснения вопроса об изменении их видимой формы при движении - никто еще пока не научился получать фотографии, где можно было бы увидеть форму элементарных частиц даже в состоянии покоя.
Но допустим даже, что у нас есть пот рукой макроскопическое тело, движущееся со скоростью v/=c. Очевидно, чтобы получить сколько-нибудь четкое изображение этого тела в движении, необходимо, чтобы за время экспозиции его смещение было бы достаточно малым. Для этого, в свою очередь, нужен фотозатвор, который давал бы чрезвычайно короткую выдержку. Какую именно? Сделаем простейший расчет. Будем считать, что во время съемки можно допустить смещение тела на 1 с.н. Свет проходит это расстояние за время 3-10*11 сек., то есть за три стомиллиардные доли секунды. Такую выдержку, и нужно обеспечить при фотографировании. Иными словами, кроме релятивистского объекта нам необходим еще и релятивистский затвор. Ниже будет рассказано об эксперименте, для которого было найдено, и то и другое.
В качестве объекта для съемки был взят световой импульс. Свет, распространяющийся не в вакууме, а в, какой-либо среде, движется уже не с предельной скоростью с, а с релятивистской скоростью е - с/п, где, и - показатель преломления среды. Так, как нам нужно фотографирование света на лету и «в профиль», то движущийся световой импульс должен порождать вторичный свет (фотоны), которые затем можно будет зафиксировать на фотопластинке. В этом случае найденный объект - световой импульс - ничем не отличается от любого другого светящегося или освещаемого объекта. Заставить движущийся импульс излучать свет можно, например, используя частичное рассеяние энергии светового импульса в среде. Именно так, и поступили, фотографируя «на лету» свет, который в этом случае исполнял роль релятивистского тела.
Чтобы судить о форме светового импульса, заменяющего релятивистское тело, нужно иметь достаточно короткий импульс, нужно, как минимум, видеть его начало и конец. Такая возможность открылась с появлением лазеров, способных генерировать импульсы света с достаточно!! пиковой мощностью, и чрезвычайно малой длительностью - порядка 10 нсек (пикосекунд). Напомним, что 1 нсек - 10-12 сек. Длина такого светового импульса при его распространении в воде составляет примерно -0,2 см.
Область такого размера сфотографировать, конечно, можно, но при условии, что фотоаппарат будет снабжен затвором с выдержкой также порядка 10 нсек. Оказалось, что создаваемые лазером ультракороткие импульсы можно использовать также и в качестве быстродействующего затвора. Они позволяют получить выдержку, в точности равную длительности импульса. Таким образом, использование ультракоротких импульсов решило сразу две главные проблемы, и открыло возможность фотографирования света во время его пролета через рассеивающую среду.
Любопытен рассказ самих экспериментаторов о том, как они додумались до фотографирования света. Вот, в частности, что пишет один из них, американский физик М. Дюге.
«Как часто случается в лазерной технике, путь к этому эксперименту не был прямым. Ультракороткие импульсы мы применяли в устройстве затвора для фотокамеры. Они позволяли довести выдержку до 10 нсек Целый год находился этот ультра-скоростной затвор в нашей лаборатории, и мы никак не могли найти ему надлежащего применения, пока не сообразили, что наиболее интересным объектом может служить сам световой импульс, пролетающий через светорассеивающую среду. При выдержке 10 псек даже световые импульсы кажутся застывшими, как кажутся застывшими пули, фотографии которых на лету умеют делать уже много лет»
Устройство для фотографирования короткого лазерного импульса, движущегося через сосуд с водой, изображено на рисунке.
Чтобы усилить рассеяние света и сделать изображение более ярким, к воде добавляется капля молока. Ультраскоростной затвор представляет собой безэлектродную ячейку Керра, состоящую из двух скрещенных поляризаторов и расположенную между ними кювету с сероуглеродом. Если к сероуглероду не приложено электрическое поле, то он изотропен, и через скрещенные поляризаторы свет не проходит. Мощный инфракрасный импульс, полученный от неодимового лазера, проходя через сероуглерод, создает в нем анизотропию и вызывает двойное лучепреломление (оптический эффект Керра). Таким образом ячейка Керра оказывается оптически открытой на время, примерно равное длительности инфракрасного импульса.
Один, и тот же ультракороткий инфракрасный импульс используется и в качестве фотографируемого объекта, и для открывания затвора.
На кювету с сероуглеродом этот импульс поступает непосредственно (фильтр служит для поглощения основной доли инфракрасного импульса). Параллельно с этим, проходя через нелинейный оптический кристалл, часть энергии инфракрасного импульса за счет появления второй гармонии преобразуется в когерентный зеленый свет. Он-то и направляется для фотографирования в сосуд с водой. Синхронизацию прохождения света через сосуд с водой с при-открыванием затвора в этих условиях осуществить совсем несложно.
На втором рисунке приводится моментальный снимок светового импульса. Он кажется застывшим.
Вернемся теперь к вопросу' о фотографировании объектов, движущихся с релятивистской скоростью. Конечно, очень хотелось бы придавать световому импульсу любую желаемую форму. Но этого пока сделать нельзя. С другой стороны, как мы уже отмечали, мысленный эксперимент позволяет дать ответ на вопрос о том, что получится при фотографировании тел, движущихся с релятивистскими скоростями. Общая теорема утверждает, что объемное тело, достаточно удаленное от фотоаппарата (так, что идущий от него свет можно принять за параллельный пучок) в этом случае кажется просто повернутым на некоторый угол. Угол этот зависит от скорости движения тела. Отсюда ясно, что контур релятивистского шара так, и остается окружностью и на телах сферической формы эффект их поворота заметить не удастся.
Можно бы то бы наблюдать поворот куба, но световой импульс в форме куба получить трудно.
Выход для качественной проверки предполагаемого эффекта был найден следующим образом. Первоначальный зеленый импульс света разделялся на два тождественных параллельных импульса, отстоящих на разных расстояниях от камеры. Эти два импульса олицетворяли две вершины куба, одна из которых находится глубже, чем другая. Оба импульса входят в сосуд одновременно. Теория показывает, что дальний импульс должен несколько отстать, и на фотографии оказаться сзади ближнего импульса. Так оно, и получилось на фото? графиях. Таким образом, качественно выводы мысленного эксперимента, то есть, по сути дела, выводы теории, подтверждаются.
Нужно отметить, что есть возможность повысить точность экспериментов, и прежде всего, используя для этого еще более короткие импульсы, то есть еще более высокоскоростные затворы. Конечно, экспозиция такого затвора определяется не только длительностью светового импульса, но, и временем релаксации молекул в веществе. Однако по теоретическим данным в принципе можно подобрать вещества со времени релаксации 10~3 псек.
А1ожет быть, удастся создать световой объект из восьми точек (восьми импульсов), занимающих при своем движении положения всех вершин куба. Тогда фотографии могли бы проиллюстрировать поворот всего куба целиком.
А нельзя ли все же сфотографировать само лоренцово сокращение?
Чтобы сфотографировать тело, претерпевшее лоренцово сокращение, нужно, кроме расстояния между двумя точками, принадлежащими этому движущемуся объекту, иметь еще для сравнения, и его собственною длину покоя, то есть знать расстояние между этими точками, когда они неподвижны или движутся с нерелятивистской скоростью.
Как это сделать? И возможно ли вообще получить желаемую картину, работая со световыми импульсами?
Вопросы эти пока остаются без ответа.
