Глава V КВАНТЫ СУЩЕСТВУЮТ? ЭТО ЕЩЕ ВОПРОС

Глава V

КВАНТЫ СУЩЕСТВУЮТ? ЭТО ЕЩЕ ВОПРОС

Их свадьба состоялась год спустя, в 1920 году.

Сергею Ивановичу было в то время 29 лет, Ольге Михайловне — 26. Дружба редкой силы и красоты, глубокое взаимное понимание отличали всю их совместную тридцатилетнюю жизнь. Никогда никто не стоял к Сергею Ивановичу ближе его жены. Никогда никто не знал духовного мира С. И. Вавилова так глубоко и полно, как знала его Ольга Михайловна.

Дочь московского присяжного поверенного — сотрудника и компаньона знаменитого в свое время оратора-юриста Ф. Н. Плевако, Ольга Багриновская выросла в типичной дореволюционной интеллигентской семье. Брат ее был профессором Московской консерватории, два дядюшки — Хвостовы — тоже профессорами, но гуманитарных наук: один — истории в Казанском университете, другой — римского права в Москве. Тетушка — О. П. Алексеева — играла на сцене Художественного театра и была женою родного брата Константина Сергеевича Станиславского, талантливого актера Бориса Сергеевича Алексеева.

Ученые, юристы, деятели искусств… Такова была родня, таков был круг знакомых.

Во всех таких семействах в стародавние времена царила музыкальная атмосфера. Музыка настолько полно сливалась с бытом, что никто не считал ее чем-то привходящим — таким, чего могло бы и не быть. Дети разучивали гаммы до того, как поступали в гимназии. Все родственники и знакомые обычно на чем-нибудь играли; некоторые еще и пели.

Было принято, собираясь в гости, иногда захватывать с собою скрипку или виолончель. Члены маленьких семейных кружков быстро разбирались, кто на что способен. Кто-нибудь садился за рояль, кто-нибудь вооружался скрипкой, и начинался маленький, домашний, как правило неплохой, концерт.

Рано приобщились к музыке и сестры Багриновские. Родители дали им соответствующее образование, обстановка довершила остальное. Девушки приятно пели, их знали и любили в литературно-музыкальных салонах.

Сама Маргарита Кирилловна Морозова, известная московская меценатка того времени, благоволила к ним и частенько приглашала девушек на концерты в своем доме.

Уже пылало пламя первой мировой войны, когда Ольга Багриновская, блестяще сдав вступительные экзамены, поступила в Московскую консерваторию по классу пения. Ее учителем стал прославленный преподаватель итальянец Умберто Мазетти, среди воспитанниц которого была, например, Валерия Барсова (Владимирова). Заветное желание младшей Багриновской стать камерной певицей (в оперу ее не тянуло) из области мечты переходило в область реальности.

Однако все получилось по-иному.

Огонь войны коснулся и этой девушки. Неожиданно для всех она оставила консерваторию и добровольно ушла на фронт. Она служила там в отряде детской помощи: подбирала детей, потерявших своих родителей, старалась спасти подростков, попавших в зону огня и смерти.

Два года продолжалась эта служба — с 1916 по 1918 год. Лишь после революции Ольга Михайловна вернулась в Москву и поселилась у самой старшей своей сестры, Татьяны, в Еропкинском переулке, в доме № 16. Напротив было здание Коммерческого училища, в котором некогда учились братья Вавиловы, но соседство не вызывало в Багриновской никаких ассоциаций: тогда она никого еще из Вавиловых не знала.

Сестры жили дружно. Они оптимистически переносили невзгоды военного коммунизма и не отравляли друг другу существование бесполезными жалобами. Они верили в лучшие дни и, отвлекаясь от забот житейских, музицировали и предавались спорам о литературе, живописи, о смысле жизни.

Часто пели. У Ольги Багриновской и ее сестры, Натальи Михайловны Весниной, часто приходившей на Еропкинский, особенно хорошо получались дуэты. Больше всего любили романсы Шуберта и Шумана.

Светлое восприятие жизни и серьезность, любовь к искусству и философское осмысливание окружающего — таков был дух кружка, сложившегося у Багриновских.

Сергей Вавилов удивительно подошел к этому кружку. Ведь и он видел жизнь через ту же призму.

…Брак Сергея Ивановича и Ольги Михайловны почти совпал по времени со вторым браком — ее сестры Татьяны. Муж Татьяны Михайловны имел квартиру, и старшая сестра переехала к нему. Свою часть старой квартиры она предложила Ольге и ее мужу. Вавиловы с радостью приняли дар и поселились в Еропкинском переулке.

Нельзя сказать, чтобы это были завидные «апартаменты». Две небольшие комнатки в старом московском доме без удобств — невесть какое приобретение для семьи научного работника. Но здесь началась семейная жизнь Вавиловых, здесь складывалась их дружба. И, они не замечали неприглядной обстановки.

Может быть, делали вид, что не замечали.

* * *

Огромные перемены в личной жизни С. И. Вавилова не ослабили его рабочего напряжения. Наоборот, двадцатый год для него был годом особого творческого подъема. Обращаясь к хронологии работ Вавилова, мы поражаемся, как много было тогда сделано. Пожалуй, мы не ошибемся, если скажем, что именно в 1920 году Сергей Иванович достиг своей научной зрелости, стал превращаться в ту могучую фигуру в оптике, которую потом знали все..

Нет, он не сделал в эти дни фундаментальных открытий. Он не ответил ни на один большой вопрос, а тот единственный ответ, который он пытался дать, как выяснилось впоследствии, был неверным.

И все же благодаря исследованиям С. И. Вавилова двадцатый год оставил свой след в истории оптики. Ответов не было, но были сформулированы вопросы, предопределившие будущие открытия, новые научные сдвиги.

Об этой важной стороне научной деятельности хорошо сказал много лет спустя крупнейший физик нашего времени Вернер Гейзенберг: «Естествоиспытателя интересуют прежде всего постановки вопросов и только во вторую очередь — ответы. Постановки вопросов представляются ему ценными, если они оказались плодотворными в развитии человеческого мышления. Ответы могут иметь в большинстве случаев лишь временное значение; они могут с течением времени, благодаря расширению наших физических сведений, потерять свое значение».

Спокойный и сосредоточенный, как всегда, Вавилов продолжал свои исследования. Одновременно он вел большую научно-организационную работу. В феврале двадцатого года лаборатории, руководимые П. П. Лазаревым, были преобразованы в Институт физики и биофизики Наркомздрава, и Сергей Иванович получил в новом институте свой первый административный пост — заведующего отделом физической оптики.

Это ко многому обязывало, особенно если учесть, что физической оптикой в стране тогда почти никто больше не занимался. Правда, кое-какие работы в том же направлении велись и в Государственном оптическом институте в Петрограде, причем под руководством такого выдающегося оптика, как профессор Дмитрий Сергеевич Рождественский. Но и этот институт был молод: основанный в 1918 году, он только разворачивал свою деятельность и не мог ослабить чувства ответственности у москвичей перед отечественной наукой.

Собственно, чем должен заниматься новый отдел, для его заведующего не представлялось проблемой, — световыми квантами. Проблема была в том, как именно заниматься; как вести исследования, чтобы подтвердить или опровергнуть теорию прерывности света.

В принципе дело сводилось к постановке правильных и убедительных опытов. Хорошо придуманный и точно осуществленный эксперимент никогда и никого еще не обманывал (если только исследователь не пытался распространить полученные результаты на области, к которым данный опыт не имеет отношения). Опыт — последняя инстанция для тех, кто ищет истины.

Однако оказалось, что придумать хороший опыт для проверки квантовой теории — дело чрезвычайно сложное. Надо было найти такие следствия из «зернистой» структуры света, которые допускают их непосредственную практическую проверку.

Перелистывая же журналы и слушая научные доклады, Сергей Иванович все больше убеждался в том, что такой непосредственной проверки квантовой теории, пожалуй, никто еще не делал. Соображения в защиту правильности новых представлений основывались лишь на косвенных данных опыта. Но ведь при этом могло быть что-нибудь упущено.

Не сразу и не легко пришли верные идеи. Вспышки вдохновения озаряли долгий и кропотливый будничный труд. Но когда схема опыта, которую искали, созрела и четко обозначилась в сознании, оптик знал, что она верна. Товарищи, с которыми он поделился, согласились с его уверенностью.

В качестве «лакмусовой бумажки» для проверки наличия в световых потоках квантов Вавилов выбрал одну физическую величину: коэффициент поглощения света. Эта величина представляет собою отношение количества поглощенного света к интенсивности (яркости) падающего света и хорошо известна в оптике.

С незапамятных времен считалось, что коэффициент поглощения — постоянная величина, что он не зависит от силы света. Пропустите сквозь окрашенную пленку (например, через желатин) пучок света и измерьте, на какую долю яркости свет ослабел при этом. После этого увеличьте яркость первичного пучка. Если хотите, наоборот, уменьшите ее во много раз. Естественно, что вторичный пучок, то есть луч, прошедший через пленку, соответственно усилится или ослабится. Доля же ослабления останется той же самой: коэффициент поглощения не изменится от ваших манипуляций.

Таков простой и ясный смысл знаменитого закона Бугера, установленного на опыте еще в 1729 году и с тех пор многократно подтвержденного.

Вавилов с огромным уважением относился к исследователю, сформулировавшему этот закон, и говорил, что в своей области П. Бугер «является такой же замечательной фигурой, как Кеплер или Ньютон. Бугер впервые ввел количественное измерение света».

Исходя из безупречности основного закона абсорбции (поглощения) света, Сергей Иванович разработал принципы проверки опытом квантовой гипотезы.

Безупречный там, где его устанавливали, то есть в обычных условиях практики, в условиях, где световые кванты себя не проявляют (и, значит, можно не обращать на них внимания, даже если свет дискретен), закон Бугера, однако, должен нарушаться в каких-то специальных случаях, где квантовая структура света дает о себе знать.

Что же это за специальные случаи?

Соображения теории подсказывают, что коэффициент абсорбции должен утратить постоянство (а закон Бугера — свою силу) в двух крайних случаях: когда интенсивность падающего света исчезающе мала и, наоборот, когда она чрезмерна.

В первом случае роковую роль для закона Бугера играют флуктуации — отклонения от средних значений в обе стороны — числа фотонов в световом потоке.

Дело в том, что если свет — поток фотонов, то в высшей степени беспорядочно движущихся фотонов. Объясняется это, с одной стороны, «классическими» причинами, то есть процессами, рассматриваемыми в классической физике, с другой стороны — квантовыми причинами, связанными с тонким механизмом рождения и исчезновения квантов в молекулах.

Первые из них просты и очевидны. Обычный источник света состоит из множества излучающих движущихся частиц, взаимодействующих одна с другой, соударяющихся, получающих новые импульсы к излучению или, наоборот, прекращающих излучать при ударах. Естественно, что, испускаемые хаотически метущимися молекулами и атомами, фотоны не могут двигаться так, чтобы через какую-нибудь точку пространства их пролетало за единицу времени строго неизменное число.

Беспорядок по вине таких «классических» причин усиливается за счет непрерывного поглощения фотонов молекулами и атомами (что вызывает, как говорят, возбуждение частиц материи) и последующего спонтанного, то есть самопроизвольного, испускания квантов света этими частицами материи (с утратой возбуждения — с переходом в нормальное, невозбужденное состояние).

В повседневной жизни мы имеем дело главным образом с плотными, насыщенными световыми потоками. Фотонов а них так много, что, как показывает статистическая физика, отклонения их числа от среднего значения практически незаметны: мы не обнаруживаем «мигания» обычных источников света (если только оно не вызвано неравномерным питанием энергией).

Совсем иное, в принципе, должно наблюдаться при ничтожных световых потоках. Если свет излучается, как фотоны, то в этом случае количество падающих квантов в каждый данный момент времени не будет одинаково: оно будет испытывать статистические колебания вокруг среднего значения. Это же приведет к тому, что для каждого отдельного промежутка времени количество света, поглощаемого веществом, будет разным. Разным будет и коэффициент поглощения, рассчитанный на средний падающий поток: он станет колебаться в обе стороны от среднего значения.

Таким образом, закон Бугера нарушится при очень малых интенсивностях.

Почему же основной закон абсорбции должен нарушаться при другой крайности, то есть когда яркость падающего потока слишком высока?

Объяснение и здесь несложное.

Постепенное увеличение интенсивности падающего света станет приводить в возбужденное состояние все большее количество вещества. Все большее число молекул поглотит при этом свет.

С другой стороны, с возрастанием силы облучения будет уменьшаться число «незанятых» молекул — частиц вещества, способных поглотить свет данной длины волны и благодаря этому возбудиться.

Легко себе представить столь высокую интенсивность падающего потока, что большинство молекул окажется возбужденными. Это неизбежно приведет к уменьшению коэффициента поглощения и к нарушению закона Бугера при сверхвысоких интенсивностях.

Итак, «лакмусовая бумажка» налицо: коэффициент поглощения. Если этот коэффициент будет изменяться за пределами некоего среднего по интенсивности потока света, значит квантовая гипотеза верна. Если закон Бугера сохранит свое значение во всех случаях, это окажется серьезным доводом против гипотезы.

Когда Вавилов отчетливо представил себе теоретическую сторону дела, он вдруг задумался: но почему до сих пор никто не заметил ограниченности закона Бугера? Неужели никто не пытался проверить коэффициент абсорбции в достаточно широких пределах?

Вавилов просмотрел многочисленную литературу и убедился, что ни один исследователь не проверял старинного соотношения, изменяя интенсивность падающего света более чем в тысячу раз. А это был ничтожный интервал.

— Разве можно на такой основе заключать об универсальности закона Бугера? — сказал руководитель отдела физической оптики П. П. Лазареву. — Надо изменять поток не в тысячу, а в триллионы, тысячи триллионов раз!

— Как же вы добьетесь этого при нашей скромной лабораторной аппаратуре? — с сомнением заметил академик. — Где достанете надежные и точные приборы?

— Я подумаю…

В чем, в чем, а во времени для раздумий недостатка у Сергея Ивановича тогда не было. Трамваи не ходили. Путь от дома до Высшего технического училища (где Вавилов преподавал в те годы) или от училища до лаборатории был не только хорошим упражнением для ног. Он давал возможность отрешиться от всего, сосредоточиться. Шагая от Арбата до Немецкой, а от Немецкой до Миуссов, можешь почувствовать себя наедине, можешь помечтать, подумать.

Благодатны для творческих натур подобные моменты отрешения.

Говорят, что идея маятниковых часов пришла Галилею в голову, когда он, подолгу выстаивая в епископальной церкви, смотрел на колышущуюся от ветра бронзовую люстру. Измерив по биению собственного пульса продолжительность колебаний люстры, он узнал, что и большие и маленькие колебания люстры происходят за одно и то же время. Так был открыт изохронизм колебаний маятника — основной закон, позволяющий строить часы с маятником.

Корабельный врач Роберт Майер по неделям не сходил на берег и оставался наедине со своими мыслями и больными матросами. Он обратил внимание на то, что в южных широтах венозная кровь ярче, чем на севере. «Значит, в теплом климате организм расходует меньше кислорода», — сказал самому себе Майер. В конце концов из этих размышлений родилась одна из первых формулировок закона сохранения энергии.

…Возможно, что именно во время ежедневных вынужденных многокилометровых «проминок» к Сергею Ивановичу пришла счастливая мысль попытаться использовать в качестве точнейшего прибора для проверки универсальности закона Бугера… обыкновенный человеческий глаз. Когда-то метод визуальных наблюдений для количественного измерения светового потока применялся. Но то было на рубеже семнадцатого и восемнадцатого веков. Потом визуальный метод был основательно забыт.

И вдруг Сергей Иванович предложил возродить его, причем для проверки ультрасовременной физической теории.

— Семнадцатый век вторгается в век двадцатый! — иронически воскликнул один сослуживец Вавилова. — Не думаете ли вы при помощи своих глаз подсчитывать число квантов, вылетающих из электрической лампочки?

— Вы точно сформулировали мои намерения, — гаков был смысл ответа оптика. — Скажу вам более: я надеюсь, что установка будет обладать степенью совершенства достаточной, чтобы даже вы могли увидеть квантовое строение света, если оно, конечно, существует.

И он поставил свои опыты.

Эти опыты, проведенные в 1920 году с помощью извлеченного Вавиловым из забвения старинного фотометрического метода, замечательны не только тем, что исходили из принципиальной возможности убедиться в существовании квантов света по наблюдению флуктуации их количества. В этом опыте, что еще замечательнее, впервые в новое время для целей фотометрирования была использована исключительно высокая чувствительность человеческого глаза.

Оказалось, что ни один обычный фотометрический метод не мог заменить в этом отношении естественного органа зрения человека.

Поглощения лучей при больших, средних и малых интенсивностях светового потока (с интервалом в тысячу триллионов раз!) Вавилов изучал на обычной установке, применяя для измерения света, выходящего из тела, известный спектрофотометр. Закон Бугера в этом интервале сохранялся: квантовые идеи здесь не подтверждались.

Для изучения поглощения света при сверхмалых интенсивностях света Сергей Иванович сконструировал специальную установку, в которой в качестве измерительного прибора применялся глаз.

Опыты на новой визуальной установке проводились так. Тщательно завешивались все окна и щели. В абсолютном мраке исследователь долго адаптировался — приучал к нему свое зрение. Потом он припадал глазом к отверстию в ширмочке прибора и наблюдал. Перед ним возникало светящееся пятнышко — последний след изломанного луча, рожденного в 100-свечовой лампе и прошедшего сложный путь: от лампы к флуоресцирующей пластинке, затем к фокусирующему объективу и, наконец, к окрашенной желатиновой пленке для частичного поглощения. Двигая шибер реостата, регулирующего накал Лампы, экспериментатор уменьшал свечение желатинового экрана до тех пор, пока яркость пятнышка не достигала своего минимума, то есть пока человек еще мог что-то видеть. Это соответствовало порогу зрения, отражало удивительное свойство адаптированного глаза обладать резко выраженной границей в получении зрительных ощущений.

Найдя зрительный порог и зная его численное значение, экспериментатор получал в свои руки мощное количественное средство исследований. Ведь перед ним открывался некий фотометрический эталон, который можно зафиксировать положением шибера на реостате. Зная, на сколько делений пришлось передвигать этот шибер, чтобы ослабить яркость до порога зрения, можно было подсчитать, какой — в избранных единицах — эта яркость была вначале.

В конце концов результат опытов оказался неутешительным для гипотезы квантов: коэффициент поглощения оставался неизменным в исключительно большом интервале.

В своем отчете об этих опытах Вавилов пишет: «Справедливость закона Бугера в этом интервале противоречит гипотезе „световых квантов“, и от попыток более или менее систематического ее проведения приходится отказаться».

В 1920 году С. И. Вавилов печатает в «Известиях Физического института при Московском научном институте» четыре работы, посвященные выяснению процесса поглощения и испускания света элементарными молекулярными системами. В том же году на первом съезде Российской ассоциации физиков он делает доклад на аналогичную тему под названием «О пределах выполнимости основного закона абсорбции». Лейтмотив и письменных и устного выступлений: квантовая теория не подтверждается экспериментально.

У Вавилова были веские основания против идей о прерывном строении света.

Ведь вопреки тому, что ожидалось с точки зрения теории световых квантов, закон Бугера соблюдается при изменении плотности падающего светового потока в огромном интервале — примерно от ста миллионов эргов до одной триллионной эрга в секунду на один квадратный сантиметр. Максимум преобладал над минимумом в 10²⁰ раз!

Никаких сомнений — не вызывали опыты: данные, полученные из них, были безупречны.

Но так ли уж безупречно истолковывались эти данные? Достаточно ли было их свидетельства против представления о прерывной структуре света?

Вопросы эти продолжали мучить руководителя отдела физической оптики, несмотря на сделанные им публично заявления.

Придет время, и Вавилов сам покажет, что результаты его ранних работ находят естественное объяснение с позиций квантовой теории. Пока же он держит свои сомнения при себе и защищает только то, что может подтвердить практическим примером.

— Я экспериментатор, — говорил он сухо тем, кто обвинял его в чрезмерной осторожности, — и не могу отрываться от почвы опыта. Хорошо понимаю Ньютона, гордившегося тем, что он не измышлял гипотез.

Обдумывая все новые оптические опыты, Вавилов вместе с тем был занят заботами, к науке никакого отношения не имеющими. Двадцатый — неурожайный — год был суровым годом для страны, и каждая семья это остро ощущала.

Отправляясь утром в Высшее техническое училище, Сергей Иванович думал не только о том, как проведет сегодня практикум со студентами. Он думал и о жене, которая часом раньше, надев его старый пиджак, ушла на вокзал выгружать дрова из вагона.

Окончив практикум, физик зашагает в лабораторию. А Ольга Михайловна, счастливая удачей, будет в это время тянуть свои санки с дровами через всю Москву. Разгрузив их, она побежит в филармонию, где ее учительница Мария Владимировна Владимирова (сестра Барсовой) сделает ей замечание за опоздание. Из филармонии — в очередь за кониной, затем домой, топить печку и стирать белье.

Но ни Сергей Иванович, ни Ольга Михайловна никогда не принимали близко к сердцу трудности первых лет революции. Они сошлись и в этом стоицизме, в равнодушии к невзгодам материального порядка.

Муж никогда не ворчал, не жаловался: ни на холод в квартире, ни на скудный паек, ни на бедность лабораторного инвентаря, с которым приходилось вести научную работу. Жена чувствовала себя прекрасно в мужнином пиджаке и с таким веселым видом носила охапки дров и качала воду из уличной колонки, будто всю жизнь только этим и занималась.

Наступил 1921 год. В жизни Вавиловых произошло большое событие: родился сын, Виктор. Роды проходили дома. Принимала подруга Ольги Михайловны. Вряд ли она была большой специалисткой, но все сделала так, как надо.

Радость от рождения ребенка омрачалась натиском больших забот и, казалось, непреодолимых трудностей. Пришлось поступиться частью своего безразличия к материальному. Если раньше можно было не замечать (или делать вид, что не замечаешь) всех этих острых нехваток продовольствия, то теперь надо было постоянно думать о том, чтобы Вика был сыт, одет, не болел бы.

Положив сына в купленную за пятнадцать миллиардов рублей коляску, Ольга Михайловна отправлялась в нелегкий путь, озаренный смутной надеждой достать что-нибудь для сына у спекулянтов или для самой себя купить съедобного.

Все это не прошло даром для молодой матери. Участились и усилились периодические головные боля. Мучило простуженное горло.

В конце концов пришлось отказаться и от уроков в филармонии и от мечты стать камерной певицей.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.