Глава VI «КВАНТЫ МОЖНО УВИДЕТЬ»

Глава VI

«КВАНТЫ МОЖНО УВИДЕТЬ»

Оптимизм и упорная вера в будущее, однако, не оставили Вавиловых. Когда расстроенная мать прикидывала, чем заменить ребенку манную крупу, отец осторожно утешал ее и убеждал посоветоваться с Александрой Михайловной.

— Не может быть, — говорил он, — чтобы матушка что-нибудь не придумала бы. Вот увидишь, все будет хорошо. Выходят же из положения другие.

Феи не толпились возле дома № 16 по Еропкинскому переулку, когда там появился маленький Вавилов. Но одна объявилась все же и принесла ценный подарок в самые критические дни.

…Брат Сергея Ивановича в это время был профессором Петроградского сельскохозяйственного института и заведовал Бюро по прикладной ботанике и селекции Сельскохозяйственного ученого комитета в Петрограде. В 1921 году Советское правительство послало его в США на международный конгресс по сельскому хозяйству. Одновременно его назначили научным консультантом в переговорах с министерством торговли и промышленности США по вопросу о ввозе семян в голодающую Россию.

Ценой жестокой экономии Николай Иванович собрал немного долларов из тех, что получил на личные, расходы. Он обратил их в продовольственные посылки и осчастливил ценными подарками нескольких матерей, в том числе и Ольгу Михайловну. Лишь одна мать — самого Николая Ивановича — была разгневана и не старалась, это скрыть при встрече с сыном.

— Позор! — кипятилась Александра Михайловна, когда сын, побывав на обратном пути из Америки в научных центрах Англии, Франции, Голландии, Германии и Швеции, заявился к матери на Пресню обносившийся еще сильнее, чем до отъезда. — А еще профессор! И тебе не стыдно разъезжать так по Европам: одна нога в салфетке, другая в чулке? Не говори, что не хватило денег! Выкроил бы из одной посылки, если бы захотел…

Сергей Иванович продолжал напряженные оптические исследования, постепенно расширяя их тематику. В год рождения сына он начал серию работ в одном из самых неизведанных разделов оптики — люминесценции.

Тогда же перешел к нему, оставив работы по акустике, 25-летний Вадим Леонидович Левшин. С тех пор и на долгие годы Левшин стал ближайшим помощником и соратником С. И. Вавилова, участником многих совместно ими вдвоем проведенных исследований. Позднее этот самый близкий Сергею Ивановичу товарищ по работе стал крупнейшим советским специалистом по люминесценции.

Как-то раз Сергей Иванович признался Левшину, что сомневается в правильности собственных выводов из первых опытов по проверке закона Бугера.

— Может быть, никакого противоречия с квантовой гипотезой там не было? — сказал Сергей Иванович. — Давайте рассуждать с позиций защитников гипотезы.

Вот происходит мощное облучение поглощающего вещества. Поток фотонов, поглощаясь молекулами, переводит их в возбужденное состояние. Но ведь в этом состоянии молекулы пребывают недолго. Я пользовался, в частности, такими красителями, как флуоресцеин, эозин и родамин. Я растворял их в воде. Но молекулы родамина, например, находятся в состоянии возбуждения всего лишь миллиардные доли секунды. Мгновение — и молекула выбрасывает квант света люминесценции. Чтобы возбудить ее снова, надо посылать к молекуле новый квант возбуждающего света, новый фотон.

Разговор происходил в лабораторной комнате. Левшин внимательно слушал. Все до сих пор сказанное было ему хорошо знакомо.

Сергей Иванович продолжал:

— Чтобы обнаружить изменение коэффициента поглощения, нужно, чтобы заметная доля молекул родамина находилась в возбужденном состоянии. А для этого к каждой молекуле нужно подводить сотни миллионов квантов в секунду. Это огромная энергия.

— Да, достигнуть такого состояния, по-видимому, очень трудно. Не хватит мощности средней электростанции.

Вавилов задумался.

— У нас, однако, есть выход, — сказал он спустя минуту. — Этот выход — применить поглощающее вещество с длительным послесвечением. Надо найти вещество, молекулы которого долго сохраняли бы состояние возбуждения.

…И они его нашли. Ценою долгих поисков и многих разочарований, но нашли. Это были ураниловые соединения, соли уранил-нитрата. Будучи облучены, они сохраняли возбуждение пять десятитысячных секунды — более чем в сто тысяч раз дольше, чем молекулы родамина.

В 1926 году оба физика предприняли новую попытку проверить соблюдение пропорциональности между величиной поглощенного света и интенсивностью падающего света при сильных облучениях. Направляя на урановое стекло, помещенное в приборе, свет мощной конденсированной электрической искры, исследователи убедились, что коэффициент поглощения в данном случае изменяется. Закон Бугера оказался нарушенным.

Это был сокрушительный удар по прежним, классическим представлениям о природе света. Если свет — чисто волновой процесс, неясно, почему характер его поглощения должен меняться с изменением интенсивности светового потока. Возможность нарушения основного закона абсорбции — логическое следствие только одной причины: квантовой структуры света. Если нарушение налицо — значит гипотеза о прерывном строении электромагнитного потока справедлива.

Квантовая теория решительно подтверждалась опытами Вавилова и Левшина при сильных интенсивностях.

Оставалась другая крайняя область: очень малых интенсивностей. Если свет прерывен, прерывность должна была сказаться и в этой области. Почему во время опытов 1920 года закон Бугера здесь соблюдался?

Сергей Иванович восстанавливал в памяти обстановку первых опытов. Он вспоминал, как передвигал шибер реостата и старался установить его в положение, точно соответствующее порогу зрения. Постепенно тонкий механизм процесса четко вырисовывался в его воображении. Позднее, в одной из лучших своих работ, «Микроструктура света», ученый кристальным языком описал выводы, которые когда-то сделал.

У человеческого глаза есть еще одна — кроме наличия порога зрения — физиологическая особенность, важная для оптика. Глаз удерживает зрительные впечатления, поступающие к нему в течение одной десятой секунды. В кино эта инертность восприятия помогает создавать эффект непрерывности действия. В опытах по визуальному наблюдению фотонов она суммирует действие всех квантов света, приходящих за десятую долю секунды к зрительному нерву. Количество фотонов как бы увеличивается при этом, и статистические флуктуации становятся менее заметными.

В конечном счете наступает усреднение всех показателей. Стремится к среднему значению, к постоянной величине и коэффициент абсорбции.

«Если б можно было создать настолько малый световой поток, чтобы за одну десятую секунды в глаз попало фотонов столько, сколько их соответствует пороговому значению, — вероятно, рассуждал Вавилов, — что тогда получится? В некоторый момент времени под влиянием флуктуации число световых квантов, попавших в глаз, превысит порог зрительного ощущения, и наблюдатель увидит световую вспышку. В другой момент эти же флуктуации приведут к иному эффекту: число фотонов окажется меньше порога зрения, и глаз не заметит посланного светового сигнала. В конечном счете наблюдатель отметит неравномерность вспышек. Он совершенно определенно обнаружит флуктуации. В сущности говоря, тем самым он как бы увидит кванты».

«Но разве это возможно? — звучал другой, скептический голос из глубины сознания. — Наш глаз привык к огромным световым потокам; к нему со всех предметов, которые он видит, устремлены лавины квантов. Как различит он колебания десятков и даже единиц фотонов?»

«Глаз человека, — упорствовал первый голос, — одно из чудес природы. Пока он самый чувствительный в мире оптический измерительный прибор. Ни один лабораторный инструмент не доведен еще до чувствительности и устойчивости, необходимых при исследовании флуктуации света. Но глаз пригоден для этой цели».

С. И. Вавилов твердо решил «увидеть кванты». Это был очень смелый, чтобы не сказать — неосуществимый, замысел. Почти никто не верил в возможность визуально обнаружить прерывную структуру света. Но ученый-оптик упорно шел к намеченной цели. Исследования, установившие нарушение закона Бугера при поглощении света урановым стеклом, а также общие успехи квантовой теории постепенно сделали Вавилова страстным приверженцем новых идей.

Сергей Иванович не мог успокоиться, не получив наглядных представлений о действии отдельных квантов света. А для этого надо было как-то проследить их изолированное действие.

Чуть ли не на протяжении всей своей жизни. Сергей Иванович не уставал придумывать все новые способы подтверждения квантовой природы света.

В один прекрасный день (это было в 1932 году), перелистывая последний номер немецкого физического журнала «Zeitschrift f?r Physik», Вавилов натолкнулся в нем на статью двух исследователей Р. Б. Барнеса и М. Черни. Авторы высказывали мысли, созвучные с теми, что волновали самого Сергея Ивановича. Они тоже утверждали, что квантовые флуктуации света можно увидеть, при помощи человеческого глаза, если предварительно его хорошо адаптировать на темноту. Авторы не ограничивались идеями. Они пытались обнаружить световые флуктуации опытным путем и объясняли, как это делали.

Заведующий отделом физической оптики внимательно изучил статью в иностранном журнале. Он убедился, что результаты описанных там работ совершенно бездоказательны. Точнее, они даже были попросту ошибочны. «Опыты производились в условиях, — писал он в книге „Микроструктура света“,[9] — при которых никак нельзя было избежать многочисленных и очень сильных физиологических флуктуаций, хорошо известных физиологам и психологам и гораздо более заметных и резких, чем ожидаемые квантовые флуктуации».

Но в то же время в статье содержались и зерна истины. Принципиальные положения были верны. Сергей Иванович принял их во внимание, когда осуществлял свой замысел: провести широкий цикл работ, подчиненных цели «увидеть кванты».

Работы эти проводились уже в Ленинграде, в Государственном оптическом институте. Они продолжались долго: целых десять лет, начиная с 1932 и вплоть до самой войны — 1941 года. Кроме Вавилова, в них участвовали Е. М. Брумберг, Т. В. Тимофеева и 3. М. Свердлов. Привлекая на помощь и других наблюдателей, они выполнили сотни флуктуационных измерений.

Богатый опыт, приобретенный экспериментатором во время опытов в Москве, пригодился в Ленинграде. Вавилов взвесил все обстоятельства своих первых работ. Вспомнил, что было в них хорошего, а что нуждалось в улучшении. Принял во внимание выводы из опытов Барнеса и Черни. В конце концов он пришел к заключению, что на успех опытов по наблюдению квантовых флуктуации света можно рассчитывать лишь в том случае, если удастся обеспечить соблюдение трех условий: кратковременность световых вспышек, небольшие размеры изображения на сетчатке глаза, строгую фиксацию его положения.

Первое условие требовалось для устранения усредняющего действия непрерывного светового потока. Второе вызывалось необходимостью получить возможно меньший угловой размер светящейся поверхности; при больших угловых размерах количество фотонов увеличивается за счет большой поверхности, и флуктуации опять-таки усредняются. Наконец, последнее условие — фиксация положения глаза — было связано с тем обстоятельством, что различные участки сетчатки обладают разной чувствительностью; а это может вызвать значительные флуктуации светового восприятия, по своей природе ничего общего не имеющие с флуктуациями числа квантов, попадающих в глаз.

Установка, созданная Вавиловым и его помощниками с учетом перечисленных трех требований, оказалась до того продуманной и совершенной, что ее почти не пришлось улучшать впоследствии. Только раз — в 1938 году — она была слегка изменена во второстепенных деталях, но все существенные ее частb сохранились в первоначальном виде. Установка надолго стала лучшим инструментом для изучения флуктуации квантов света.

Сейчас нет в мире такой более или менее значительной оптической лаборатории, где не применялось бы точных оптических приборов (так называемых «фотоумножителей») для определения любых потоков света. Но прибор Вавилова сыграл свою роль. Он заслуживает того, чтобы его описать подробнее.

— Прежде всего вы должны понять, как появляется в установке объект исследования — световой поток, — объяснял какой-нибудь помощник Вавилова студенту старшего курса, которого намеревались сделать наблюдателем. — На самом деле этот поток — крохотное пятнышко. Его еле-еле замечает натренированный глаз.

— Причем пучок должен быть еще и монохроматическим, одноцветным, — говорил студент, желая подчеркнуть, что готовился заранее, что здесь не все для него ново.

— Да, разумеется. Мы отбираем самый активный цвет — зеленый. Это соответствует волне 500–550 миллимикрон. Как отбираем? Пропуская свет от электрической лампочки через зеленый светофильтр. Лампочка, как видите, невеличка. Всего четырехвольтовая. Свет от нее идет через светофильтр, а потом — через так называемый оптический клин, назначение которого — ослаблять световой поток во столько раз, во сколько это нужно наблюдателю.

В данном случае роль оптического клина играют две поляризационные призмы, расположенные в двух концах трубы, через которую проходит свет. Поворачивая одну призму относительно другой, можно ослаблять свет, не изменяя его спектрального состава, в какой угодно степени. Хоть до порога зрительного восприятия. Для зеленого света этот порог характеризуется величиной энергии примерно в пятьдесят миллиардных эрга в секунду на квадратный сантиметр.

Студент весь превращается во внимание. Тут ничего нельзя упустить, ничего оставить невыясненным.

Придется работать самостоятельно, а срамиться не хочется.

— Все остальное очень просто, — продолжает опытный экспериментатор. — Как выполняется первое условие опыта — кратковременность вспышек? При помощи этого вращающегося диска. Он делает оборот в секунду и находится между лампой и трубой на пути светового потока. Если б не эта дырка в его стенке, свет не прошел бы дальше. Но дырка на короткое время открывает фотонам выход, и они проскакивают сквозь диск. Длина выреза рассчитана так, чтобы за каждый оборот диска фотоны могли бы вылетать наружу в течение одной десятой секунды.

Десятую долю секунды световой поток проходит через вырез в диске, девять десятых — прерывается диском; И так каждый оборот. Вращается диск этим маленький электромоторчиком. Через редуктор.

— Есть еще условия опыта?

— Да. Размеры светового пучка ограничиваются С помощью диафрагмы, расположенной на его пути. А строгая фиксация положения глаз достигается тем, что голова наблюдателя опирается на специальный подбородник, а глаза фиксируются на красную сигнальную лампу. Ее лучи, как видите, не перерезаются диском, но могут быть ослаблены, если нужно, с помощью реостата.

— На одном столе, как видно, все не умещается?

— Можно было бы, но зачем? Так удобнее.

На втором столе располагается астрономический хронограф с катушкой телеграфной ленты и электрически регулируемыми перьями. Эти перья связаны с вращающимся диском так, чтобы каждому обороту диска соответствовала отметка на бумажной ленте. При помощи электрического ключа наблюдатель может ставить свои отметки на движущейся ленте. Их назначение в том и заключается, чтобы регистрировать световые флуктуации.

Делается это с величайшей внимательностью. Как только наблюдатель видит световую вспышку, он немедленно замыкает ключом электрическую цепь. Вторым пером хронографа на той же ленте делается другая отметка, соответствующая объективно посланному сигналу. Понятно, что это происходит строго периодически — раз за оборот.

Затем по записям на ленте сопоставляют число световых сигналов, объективно посланных к наблюдателю, с числом сигналов, принятых им субъективно. Полученные данные позволяют хорошо судить и о наличии флуктуации в количестве световых квантов и о характере этих флуктуации.

Не сразу новый экспериментатор допускался к наблюдениям. «Здесь, батенька, надо уметь видеть лучше кошки», — говорил руководитель опытов кандидату в наблюдатели. Вновь привлекаемый подвергался предварительно долгой и томительной тренировке.

Его усаживали, в совершенно темную комнату. Объясняли, что он будет еще долго видеть собственный свет сетчатки — светлые облака, реющие в темноте перед глазами. Заставляли адаптироваться не меньше часа. На другой день сеанс тренировки повторялся, и так до пяти-десяти раз.

Успокаивались лишь тогда, когда убеждались, что глаз новообращаемого приучался к фиксации на красную точку, к периферическому, то есть к боковому, зрению. Вместе с тем экспериментатор должен был приучить себя к внимательности, без которой бессмысленно браться за наблюдения.

— Невнимательный, необученный глаз дает беспорядочные показания, — объяснял Вавилов на основе собственного опыта. — Это очень скрупулезная и ответственная оптическая служба, К ней можно допускать лишь человека, прошедшего надежную тренировку. Нетренированный человек, а также попросту больной или быстро устающий не сумеют добиться своевременной регистрации всех наблюдаемых им вспышек. От такого человека немного пользы, даже если он во всех отношениях аккуратен и добросовестен.

… Кропотливая обработка колоссального экспериментального материала, осуществленная методами теории вероятностей, показала, что световые флуктуации имеют статистический характер. Это могло быть вызвано только одной причиной: случайными колебаниями числа фотонов вокруг порогового зрительного значения. Говоря иначе, существование флуктуации окончательно подтверждало справедливость квантовой теории, причем самым наглядным, убедительным для всех образом.

Невозможно переоценить научное значение экспериментов, проведенных под руководством Вавилова, по визуальной проверке квантовой природы света: оно огромно.

— Человек, который первым увидел кванты! — полушутя, полусерьезно говорили о Сергее Ивановиче студенты. Сотрудников лаборатории Вавилова вместе с их руководителем называли дружески «охотниками за фотонами».

Подтверждением того, что свет действительно «зернист» и что «зернистость» эту можно увидеть воочию — непосредственно зрением, — не ограничилось значение ленинградских экспериментов. Этот цикл работ важен еще в том отношении, что он много дал фактических материалов для обоснования нового, чрезвычайно чувствительного метода исследования самих свойств зрения.

Благодаря этому методу оказалось возможным производить определение пороговой чувствительности глаза в зависимости от длин волн падающего света. Появилась возможность считать фотоны «штуками».

Было установлено, например, что для зеленых световых лучей с длиною волн от 500 до 550 миллимикрон число световых квантов, соответствующее пороговому значению глаза, колеблется у различных наблюдателей от 8 до 47 (в среднем около 20). Однако общее число падающих при этом на глаз квантов примерно в десять раз больше — от 108 до 335 (в среднем около 200) «штук».

Отсюда ясно, что значительная часть фотонов, попадающих в глаз, поглощается глазными средами и не вызывает зрительного ощущения. Пользуясь этим обстоятельством, можно исследовать прозрачность глазных сред по отношению к световым лучам с различными длинами волн. Прекрасная тема работ для физиологов!

Сергей Иванович очень любил свои визуальные опыты и гордился ими. Он говорил:

— Преимущество визуального метода состоит в том, что он дает новое, весьма тонкое средство для исследования недр глаза.

Исследования С. И. Вавилова по квантовым флуктуациям света вызвали огромный интерес во всем мире. Имя Сергея Ивановича стало еще шире известно в кругах не только советских, но и зарубежных физиков.

Не обошлось без курьезных эпизодов. Некоторые западные физики старались замолчать достижения Вавилова, другие делали попытки исказить и принизить их значение.

Характерен в этом смысле пример с американскими физиологами Гехтом, Шлером и Пирреном. Они работали в Нью-Йорке и в 1941 году опубликовали в первый раз результаты своих оптических визуальных измерений квантовых флуктуации. Схема опытов американцев отличалась от схемы Вавилова лишь несущественными деталями и значительно меньшим объемом. Однако Гехт и его сотрудники вначале вовсе даже не сослались на исследования русского физика. Позднее же они намеренно исказили смысл его опытов.

В «Микроструктуре света» С. И. Вавилов доказал несостоятельность критики в его адрес со стороны американцев. Он показал, что исследования заокеанских физиологов оказались просто плохим вариантом его самых ранних и давно опубликованных работ.

В 1944 году метод зрительных наблюдений квантовых флуктуации был неожиданно еще раз «открыт» в Голландии. На этот раз в роли «открывателя» выступил физик из Утрехта Ван-дер-Вельден. Задача, метод наблюдений и обработка результатов с принципиальной стороны и в данном случае во всем совпадали с первыми работами Вавилова. Однако выяснилось, что утрехтские результаты не совпадают ни с данными, полученными в Ленинграде, ни с данными американцев. Ван-дер-Вельден уверял, например, что даже два поглощенных глазом кванта уже вызывают зрительное восприятие. Этот результат был очевидно ошибочен.

Таким образом, правильно осознав ведущие принципы подобных оптических исследований, голландский физик в то же время не сумел их правильно же использовать.

* * *

Человек, пребывающий во власти большой идеи, часто не умеет (может быть, и не хочет) скрывать своих чувств. Окружающие в этих случаях обычно очень быстро узнают, в чем источник его радостей и огорчений.

С. И. Вавилов был человеком иного склада. Его переживания никогда не выставлялись напоказ. Даже близкие друзья (за исключением жены) о них как правило, не подозревали. Сергей Иванович никогда не ликовал бурно, даже завершив успешно сложное исследование. Он не огорчался видимо для всех, когда случались неудачи. В отличие от брата — души, общества, весельчака и балагура, постоянно окруженного друзьями и поклонниками, — Сергей Иванович был очень сдержан, пожалуй, даже замкнут. Он не терпел внешнего проявления эмоций и даже с Ольгой Михайловной на людях держался суховато и на отдалении.

Одной лишь фразой Вавилов выдавал восторг по поводу удачно выполненного опыта или интерес к неожиданной идее. Он говорил: «Полна чудес могучая природа…» Желая поторопить сотрудника, он замечал: «Помните, бежит завистливое время».

Все это было, конечно, не от недостатка внутренней теплоты. Сергей Иванович был предупредителен к людям и невероятно добр. Один из учеников его, Н. А. Толстой, рассказывал: «Он никогда не хвалил своих учеников в глаза, но позднее мы узнавали, с какой теплотой он отзывался о многих из нас и как гордился нашими успехами».

Сергей Иванович был русским интеллигентом в самом широком и лучшем смысле. Душа большого физика была душой поэта. Он замечал вокруг то, чего не замечают прозаические натуры. Он любил стихи и превосходно их читал, особенно Тютчева, Пушкина, Блока. У Пушкина его любимыми были сцена Полтавского боя из «Полтавы», у Блока — «Пролог» к «Возмездию» и «Равенна».

Но большинство из окружающих могло лишь догадываться о богатейшем внутреннем мире Вавилова. Он был недоступен здесь для всех, за исключением Ольги Михайловны. Единственный уголок его души, который часто раскрывался для друзей и знакомых, был тот, где у людей гнездится чувство юмора.

Сергей Иванович скорее был грустен по натуре (мы поговорим об этом дальше). Но шутку он любил, понимал ее, и когда смеялся, то смеялся от души, иногда в буквальном смысле слова до слез. Смеялся он, впрочем, не всему. Юмор Вавилова был необыкновенно чист и не мирился, например, с анекдотами.

Если юмор раскрывал немного лирическую сторону души Вавилова, то было еще одно, что выдавало его научные стремления: это то упорство, с которым он постоянно возвращался к тому, что его больше всего мучило и волновало.

Не довольствуясь зрительными опытами для изучения флуктуации, Сергей Иванович, параллельно с ними или перемежаясь с ними, старался обнаружить квантовые черты света и в таких оптических явлениях, которые всегда считались раньше типично волновыми. Сюда относится, например, явление интерференции света.

Само слово «интерференция» (от латинских корней «интер» — взаимно, между собою, и «ференс» — несущий, переносящий) было введено для обозначения явления сложения в пространстве двух или нескольких волн. Применительно к распространению света это наложение друг на друга световых пучков. В одних местах пространства эти пучки усиливают друг друга, в других — друг друга гасят. На экране появляются чередующиеся темные и светлые круги или полосы.

С точки зрения квантовой теории, при очень малых интенсивностях света классическая интерференционная картина должна нарушаться. Темные места, в которые фотоны не попадают ни при слабых, ни при сильных интенсивностях интерферирующих лучей, должны, естественно, остаться неизменными. Зато свечение ярких полос должно флуктуировать во времени, если на них будет падать разное количество световых квантов.

— Картина эта механически наглядна, — сказал как-то Сергей Иванович молодому научному сотруднику Е. М. Брумбергу. — Для ее проверки надо лишь создать достаточно точную установку. Но ведь она есть уже — та самая, с помощью которой проводились опыты по изучению квантовых флуктуации. Мне кажется, эта установка вполне пригодна для проверки квантовой картины интерференции.

С. И. Вавилов и Е. М. Брумберг ставят соответствующие опыты и действительно обнаруживают, что темные места на интерференционной картине остаются темными всегда, светлые же временами меняют свою яркость.

Результаты своих исследований два физика излагают в статье «Статистическая структура интерференционного поля», которую публикуют в 1934 году. Интересные опыты Вавилова и Брумберга показывают впервые, что даже в типично волновых процессах можно обнаружить квантовые свойства. Корпускулярно-волновой дуализм света выступает здесь с особой убедительностью.

После этих опытов Вавилов с поразительной простотой и легкостью осуществляет ряд других удачных опытов по обнаружению прерывистой природы света. Как маг-волшебник, он обращается то к одному, то к другому волновому процессу и, «взмахнув волшебной палочкой», превращает этот процесс в четко выраженный корпускулярный.

Поместив на пути пучка зеленого естественного света так называемую бипризму Френеля, преломляющее ребро которой расположено горизонтально, Сергей Иванович получал в поле зрения два симметрично расположенных зеленых пятна. Уменьшая освещенность пятен до допустимого предела, наблюдатель видел, как обе точки совершенно отчетливо флуктуировали одна относительно другой, и весьма редко они были видны в одно и то же время. «Это явление, — писал Вавилов, — независимых относительных колебаний когерентных (то есть вышедших из одного источника и обладающих постоянной разностью фаз. — В. К.) лучей имеет катастрофическое значение для волновой теории, если пытаться ее защищать и в данном случае».

Не менее остроумные эксперименты были проведены с поляризованным («расщепленным» во взаимно-перпендикулярных направлениях) светом. С помощью призмы Волластона С. И. Вавилов получал на экране два пятна, освещаемые поляризованными зелеными лучами. С точки зрения классической волновой теории, оба пятна должны были бы иметь одинаковую яркость. Однако, когда интенсивность исходного естественного пучка достигала минимума, два зеленых пятна флуктуировали совершенно независимо друг от друга. Это убедительно доказывало, что оба поля освещались независимо отдельными световыми квантами.

Все же одно оптическое явление — одно-единственное! — Вавилову не удалось «превратить» в характерное квантовое явление. Не удалось по той простой и уважительной причине, что в этом случае не могла помочь даже высокая чувствительность глаза; лабораторная же техника не располагала нужной сверхчувствительной аппаратурой (кстати, не располагает ею и сейчас; благодаря чему и в наше время, на пороге эры космоса, задача, не решенная Вавиловым, продолжает оставаться нерешенной).

Но и эта «неудача» дала науке гораздо больше, чем много иных удач. Была сформулирована четкая задача. Показан принципиальный путь ее решения. Выведены некоторые важные цифровые данные, которые облегчают поиски усовершенствованных экспериментальных схем.

Речь идет о принципе суперпозиции (наложения) световых потоков, суть которого сводится к тому, что между двумя (или более) пересекающимися световыми потоками не происходит никакого взаимодействия. Два луча встречаются в пространстве и проходят друг сквозь друга, даже не замечая этого, как сквозь пустоту.

Этот эмпирический принцип высказывался еще в XVI и XVII веках (Декартом, Ньютоном, Гюйгенсом, Ломоносовым). Гюйгенс писал о нем в своем «Трактате о свете»: «Удивительнейшее свойство света состоит в том, что лучи, идущие из различных и даже противоположных направлений, проходят один сквозь другой, нисколько не препятствуя обоюдным действиям». С тех пор прошли столетия, а в повседневной практике не было обнаружено ни одного отступления от этого принципа.

Между тем совершенно ясно, что он несовместим с квантовыми представлениями. Ведь если световые пучки состоят из конечного числа фотонов, то при какой-то достаточно высокой плотности этих частиц они должны сталкиваться между собою. Свет будет рассеивать свет. Наблюдение факта такого рассеяния послужило бы доказательством нарушения принципа суперпозиции при определенных условиях.

И вот С. И. Вавилов сделал несколько попыток обнаружить это рассеяние. Предварительно — это было в августе 1928 года — он сделал на эту тему доклад на заседании оптической секции VI съезда русских физиков, состоявшегося в Москве. В докладе, называвшемся «Замечания об эмпирической точности оптического принципа суперпозиции», ученый пытался теоретически установить границы применимости старинного эмпирического принципа.

Первые измерения Сергей Иванович произвел в лабораторной обстановке при помощи светового потока, рожденного конденсированной электрической искрой большой плотности. Для увеличения плотности свет от искры сходился внутри специально приготовленного сосуда. При этом достигались очень высокие мгновенные мощности лучистой энергии. И все же опыты не обнаружили никакого заметного рассеяния света.

Потерпев неудачу в опытах с земными источниками света, Вавилов обратился к астрономическим явлениям. Он писал, объясняя эти исследования:

«…Лабораторные условия в этом отношении значительно превосходятся тем, что дают наблюдения Солнца. У поверхности Солнца пересекаются некогерентные пучки, исходящие из разных светящихся участков: пересечения происходят при очень больших плотностях радиации и в огромном объеме, причем результаты для земного наблюдателя суммируются. В моменты полных солнечных затмений, когда прямые лучи задержаны и фон является очень темным, мы находимся в исключительно хороших условиях наблюдения, и Солнце служит наиболее удобным объектом для установления пределов выполнимости суперпозиции.

Рассматриваемая проблема, таким образом, непосредственно соприкасается с вопросом о солнечной короне».[10]

Обычно явление короны объясняют рассеянием солнечных лучей атомами и электронами. Возможно, однако, что свет короны вызывается под влиянием рассеяния фотонов в результате их столкновений. Вавилов принял именно это, второе предположение, чтобы попытаться рассчитать, каким может быть максимальный радиус столкновения фотонов.

И он получил значение такого идеализированного радиуса. Оно оказалось невероятно малым: гораздо меньше 10^–20[11] сантиметра — в десять миллионов раз меньше, чем сейчас приписывают условному радиусу любой элементарной частицы! А ведь в действительности свет, конечно, рассеивается и атомами и электронами. Значит, радиус сферы действия фотонов будет еще значительно меньше.

Неудивительно, что и до сих пор нет никакой надежды без применения каких-то принципиально новых средств и методов обнаружить взаимодействие фотонов в условиях лаборатории. Свет может рассеиваться светом, теоретически это бесспорно. Но практическое подтверждение этого — дело будущего. Работы Вавилова приблизили физиков к решению и этой фантастически сложной задачи, потому что, выявив наглядно трудности решения, замечательный оптик вместе с тем показал и то, что оно не за пределами возможного.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.