Физический энциклопедический словарь - обращение времени

Из общих принципов квант. теории поля следует, что все процессы в природе симметричны относительно произведения трёх операций: О. в. Т, пространственной инверсии Р и зарядового сопряжения С (см. Теорема СРТ). Единств. обнаруженными на опыте процессами, в к-рых наблюдается нарушение комбинированной инверсии (СР), явл. распады долгоживущего нейтрального К-мезона; в них обнаружена слабая (~10^-3) зарядовая

асимметрия. Теор. анализ эксперим. данных по этим распадам приводит к заключению, что СРТ инвариантность в них выполняется, а Т-инвариантность нарушается. Природа сил, нарушающих T-инвариантность, не выяснена.

Несмотря на то, что элем. микропроцессы (за указанным исключением) обратимы во времени, макроскопич. процессы с участием очень большого числа ч-ц идут только в одном направлении — к состоянию термодинамич. равновесия (см. Второе начало термодинамики). Статистич. физика объясняет этот парадокс тем, что состоянию макроскопич. равновесия соответствует неизмеримо большая совокупность микроскопич. состояний, чем состояниям неравновесным. Поэтому любое сколь угодно малое возмущение искажает движение системы, удаляющее её от состояния равновесия, и превращает его в движение, ведущее к равновесию.

С. С. Герштейн.

ОБРАЩЁННЫЙ ВОЛНОВОЙ ФРОНТ.

Если направления распространения двух волн прямо противоположны, а пространств. распределения фаз и амплитуд этих волн идентичны, то их волновые фронты наз. обращёнными по отношению друг к другу. Напр., волновой фронт сферич. волны, расходящейся от источника, является обращённым по отношению к фронту сферич. волны, сходящейся к тому же источнику. В более общем случае О. в. ф. по отношению к фронту исходной волны:

ξ1(x, у, z)=A(x, у, z)Xcos[t+(x, у, z)], (1)

где х, у, z — пространств. координаты, t — время, А (х, у, z) — амплитуда колебаний,  — частота, (х, у, z) — фаза, имеет волна:

ξ2(х, у, z)=ВА(х, у, z)cos[t-(х, у, z)+0]. (2)

Здесь В и 0 — произвольные константы (рис. 1). В комплексном представлении (см. Комплексная амплитуда)

ξ1=Re[E(x, у, z)е^it]; ξ2=Re[const E*(x, y, z)е^it], (3)

где Е и Е* — комплексно сопряжённые ф-ции. Поэтому волны ξ1 и ξ2 наз. также с о п р я ж ё н н ы м и, или ф а з о в о-с о п р я ж ё н н ы м и.

Волна с О. в. ф., распространяясь сквозь прозрачную среду, идёт в обратном направлении в точности по пути исходной волны, каким бы сложным он ни был (см. Обратимости теорема). Это св-во обращённой волны создаёт уникальные возможности для решения ряда практически важных задач: компенсации аберраций оптических систем, создания мощных лазерных устройств с предельно высокой направленностью излучения, передачи световой энергии на большие

расстояния, оптич. обработки информации, самонаведения излучения на мишень и др.

Направленность излучения, генерируемого в мощных лазерных системах, в основном ограничивается искажениями в оптич. элементах: аберрациями линз, неоднородностями оптич. материалов, воздуха и др., неоднородностями в усиливающей (активной) среде лазеров. Величина неоднородностей, как правило, возрастает по мере увеличения мощности лазеров.

Рис. 1. Амплитудно-фазовое распределение исходной и обращённой волн: тонкая линия — волн. фронт исходной волны, толстая — фронт обращённой волны; длина стрелок пропорц. амплитуде волны в данной точке, а их ориентация показывает направление распространения.

Использование О. в. ф. позволяет получать в системах с оптически неоднородными элементами пучки света с почти плоским волн. фронтом, т. е. с направленностью, ограниченной лишь дифракцией. Для этого слабую световую волну с плоским волн. фронтом (рис. 2, а) пропускают сквозь лазерный усилитель и затем подвергают обращению. По

мере распространения исходной волны в усилителе её амплитуда растёт, но одновременно накапливаются искажения волн. фронта и соотв. ухудшается направленность (рис. 2, б). Обращённая волна, распространяясь сквозь усилитель в обратном направлении, также усиливается, а её волн. фронт постепенно выправляется, всюду повторяя форму фронта исходной волны.

479

В результате все аберрации компенсируются, и на выходе системы фронт дважды усиленного пучка становится практически плоским (рис. 2, в).

В нек-рых случаях необходимо концентрировать лазерное излучение на площади с малыми угловыми размерами, напр. на мишени, нагреваемой светом для получения высокотемпературной плазмы (см. Лазерная плазма). При этом положение мишени в пр-ве может меняться неконтролируемым образом. О. в. ф. обеспечивает автофокусировку (самонаведение) излучения на мишень. Мишень подсвечивается широким пучком слабого вспомогат. лазера (рис. 3). В результате она становится источником вторичной световой волны, возникающей за счёт отражения или рассеяния лазерного света. Часть этой

волны попадает на линзу, направляющую её в лазерный усилитель. Усиленная волна поступает в устройство, осуществляющее обращение волн. фронта (инвертор). Обращённая волна, распространяясь в обратном направлении, последовательно проходит усилитель и линзу и концентрируется точно на мишени. Самонаводящаяся система может быть многоканальной, и тогда на мишени будет концентрироваться излучение от многих параллельно работающих усилителей.

О. в. ф. можно получить в результате отражения исходной волны от зеркала, поверхность к-рого совпадает с её волн. фронтом. О. в. ф. в этом случае формируется за счёт того, что поверхность зеркала в любой точке перпендикулярна направлению распространения исходной волны, и поэтому отражение меняет его на прямо противоположное, не изменяя амплитудного распределения.

Известны и др. способы обращения: О. в. ф. получают посредством параметрич. усиления света (см. Нелинейная оптика), методами голографии, при вынужденном рассеянии света и т, д. Голографич. способ получения волны с О. в. ф. по отношению к предметной волне состоит в записи голограммы предметной волны с помощью нек-рого опорного пучка и в считывании этой голограммы пучком, обращённым по отношению к опорному. Для обращения нестационарных волн используют динамические голограммы, в которых запись и воспроизведение осуществляется одновременно.

Принципиально по-иному происходит обращение (точнее, самообращение) волн. фронта при вынужденном рассеянии света, в частности при вынужденном Мандельштама — Бриллюэна рассеянии. Необходимым условием обращения в этом случае явл. пространств. неоднородность исходной волны. В нелинейной среде под действием света с пространственно-неоднородной интенсивностью возникает пространственно-неоднородное распределение коэфф. усиления рассеянных световых волн. В спонтанно рассеянном свете присутствуют волны всевозможных конфигураций. Волна с О. в. ф. обладает преимущественным усилением по сравнению с остальными, т. к. только у неё максимумы интенсивности всюду в среде совпадают с максимумами интенсивности возбуждающего света. Этот фактор в сочетании с громадным общим усилением, характерным для вынужденного рассеяния света (~10¹¹), приводит к тому, что обращённая волна резко выделяется на фоне остальных, и в ней концентрируется практически вся энергия рассеянного излучения.

• К о л ь е р Р., Б е р к х а р т К., Лин Л., Оптическая голография, пер. с англ., М., 1973; Зельдович Б. Я., Носач О. Ю. [и др.], Обращение волнового фронта света при его вынужденном рассеянии, «Вестник МГУ. Сер. физика, астрономия», 1978, т. 19, № 4, с. 137; А н а н ь е в Ю. А., Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения, М., 1979.

О. Ю. Носач, В. В. Рагульский.