Сергей Вавилов

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.