Рентгеновский мираж

Мираж можно наблюдать не только в пустыне собственными глазами, но и в невидимом глазу рентгеновском диапазоне. Уравнение, с помощью которого математически можно описать не только рентгеновский, но и любой другой мираж, вывели ученые физического факультета МГУ.

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 вместе (или вместо) отдалённого объекта видит его мнимое изображение, 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 свето-музыкальных шоу). Но усиление излучения (а лазер представляет собой ничто 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, и традиции, заложенные 40 лет на физфаке МГУ, продолжают жить.

После того как был в рентгеновском диапазоне был обнаружен мираж, российские физики 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 из Японии и России 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.

Фото: bobrayner/flikr.com