Сергей Вавилов

Глава 1. Возвращение

В феврале 1918 года Сергей Иванович вернулся в Москву. Бои здесь отгремели, но в городе сохранялась фронтовая напряженность. Недобитый враг прятался по подворотням и то и дело напоминал о себе террористическими вылазками, диверсиями. Рабочие дружины боролись о бандитизмом, и на улицах порой даже днем раздавалась ружейная и пулеметная стрельба.

От Николаевского вокзала до Средней Пресни дорога в те времена занимала много больше часа. С трудом отыскав извозчика, Вавилов приказал ему ехать по Садовым улицам. Это было чуть дальше, чем прямым путем, зато позволяло увидеть значительную часть Москвы.

Ныряя на утлых санях из одного сугроба в другой, демобилизованный радиотехник с любопытством и тревогой вглядывался в знакомые улицы. Он узнавал и не узнавал их. Улицы были те же. Но сколько грустных перемен. Не дребезжали и не заливались больше трелями звонков трамваи. Самые рельсы спрятались под снегом, который уже давно никем не убирался. Начисто исчезли деревянные заборы, растасканные жителями на топливо.

Резко изменились люди. На перекрестках не маячили больше полицейские в романовских полушубках. Не видно было франтоватых тыловых офицеров и важных бородатых купчин. Немногочисленные прохожие одеты бедно.

Временами попадался патруль: группа молчаливых людей в солдатских шинелях и кованых тужурках, с винтовками на плечах.

«Интересно, нужны ли им физики? — размышлял Вавилов, вглядываясь в суровые лица красногвардейцев. — Или впредь, до окончания гражданской войны, науки и искусства отменяются? Куда мне собираться завтра: опять на фронт или в лабораторию?»

До Средней Пресни Сергей Иванович добрался без особых приключений. Вот и дом родной. Дверь открыла мать еще до того, как сын успел постучаться: Александра Михайловна услышала скрип полозьев, прекратившийся возле дома, и сразу догадалась кто. Прижавшись к груди сына, мать залилась радостными слезами.

Сергей Иванович снова занял свои комнаты на верхнем этаже основного дома. Два дня никуда не выходил: перебирал библиотеку, старые записки. Иногда какая-то страница книги или дневника задерживала его внимание, и он начинал читать.

Под горкой журналов и студенческих тетрадей обнаружил как-то вечером свой дневник странствований по Италии. 1913 год! Пять лет назад! А кажется, прошла вечность. Боже, как это далеко, как это бесконечно непохоже на все, что рядом!

Словно написанные кем-то другим, слоено из другого мира, звучали строчки, родившиеся 18 июля 1913 года во Флоренции:

«…довольно неразумно истратил около 30 лир на книги. У антиквара купил 2 книжки о Галилее и еще кой-какого математического хлама. Затем приобрел паскудное издание Данте и 2 томика стихов Аннунцио, вот и все. Вообще с книгами мне пора остепениться. Я в них не новичок, понимаю всякую ценность книги, т. е. «мою» и антикварную. Я и покупаю-то книги именно по этим двум ценностям: для «себя» и иной раз как «редкость». Но, несмотря на это мое понимание, приобретаю много всякой дряни, мусора и кирпичей. Книга самая высокая «вещь» в мире, потому что это почти человек, даже иногда выше человека (как Гаусс и Пушкин). Но книжка хороша: 1) прочитанная, 2) хорошая. В моей библиотеке многие книги этим условиям не удовлетворяют».

Сергей Иванович погасил керосиновую лампу, подошел к окну. Таяли в вечерней мгле фигуры редких прохожих; снова угрюмо, молчаливо прошел красногвардейский патруль.

И опять прежняя тревожная мысль:

«Нужны ли им физики? Или… Или что?»

Тревога Вавилова была тревогой большинства представителей умственного труда: ученых, инженеров, учителей, писателей. Многие считали: рушатся культура и наука, рушатся навсегда.

Сергей Иванович не успел осмотреться в Москве, как получил ответы на вопросы, волновавшие его накануне. Оказалось, что революция остро нуждается в людях творческого труда, в том числе и в физиках. Впервые он узнал об этом от своего бывшего научного руководителя Петра Петровича Лазарева.

В 1917 году, на самой грани февральской революции, Лазарев был избран академиком. А незадолго перед тем, в конце шестнадцатого года, на Миусской площади в Москве было закончено строительство здания исследовательского института. Институт строился еще по проекту Петра Николаевича Лебедева на общественные средства и предназначался в основном для работы физиков из Народного университета имени Шанявского и лебедевцев из лаборатории в Мертвом переулке.

В январе 1917 года в новом здании на Миусской площади был организован первый научно-исследовательский институт по физике в России — Физический институт Московского научного института. После Октября все это было подчинено Наркомздраву, а в составе Физического института стала складываться окончательно оформившаяся в апреле 1919 года небольшая лаборатория при рентгеновской, электромедицинской и фотобиологической секции Наркомздрава.

Возглавил эту лабораторию академик Петр Петрович Лазарев.

Естественно, что Вавилов в поисках работы сразу же обратился за советом к Петру Петровичу.

— Батенька вы мой! — воскликнул Лазарев, увидав своего возмужалого ученика, переступившего порог лаборатории. — Вот вас-то мне как раз и надо. Ищу, собираю всех лебедевцев. Нам создаются наилучшие условия для работы, возможные в наше время. Мы можем и должны продолжать свои исследования. Нам говорят: не бойтесь ничего, дерзайте! Ищите новое! Ах, если б Петр Николаевич дожил до этих дней!..

Сергей Иванович приступил к работе в Физическом институте. Он очень скоро понял, как нелепы были выдумки, будто новая власть плохо относится к интеллигенции.

В те дни известность получили слова В. И. Ленина, обращенные к Максиму Горькому:

«Скажите интеллигенции — пусть она идет к нам. Ведь, по-вашему, она искренне служит интересам справедливости? В чем же дело? Пожалуйте к нам: это именно мы взяли на себя колоссальный труд поднять народ на ноги, сказать миру всю правду о жизни, мы указываем народам прямой путь к человеческой жизни, путь из рабства, нищеты, унижения»[13].

И интеллигенция шла работать на революцию. Одни — стиснув зубы, не забыв обид, реальных или надуманных. Другие — с чистым сердцем, поверив в правоту октябрьских идеалов или просто не желая отрываться от народа.

К строителям новой жизни примкнули и многие ученые.

Конечно, не могли остаться в стороне и прогрессивно настроенные молодые физики, объединившиеся после смерти Лебедева вокруг его ближайшего помощника П. П. Лазарева. Всей этой молодежью руководили самые искренние побуждения. Ветер эпохи проникал сквозь стены института и волновал молодых советских физиков интересами настоящего. Подчеркивая, что отныне долг ученого — служить народу и благу всех людей, сотрудники нового научного учреждения повесили в вестибюле здания плакат со словами немецкого философа Иоганна Готлиба Фихте:

«Ученый по преимуществу предназначен для общества: он, поскольку он ученый, больше, чем представитель какого-либо другого сословия, существует только благодаря обществу и для общества».

Созданный на средства русской общественности по проекту Лебедева и специально для Лебедева, Физический институт на Миусской площади стал своеобразным памятником первооткрывателю светового давления. Понимать это надо в самом глубоком и непосредственном смысле. Страстно преданный памяти своего учителя, академик Лазарев мечтал взрастить в новом институте семена всех важных идей, когда-либо оброненных Петром Николаевичем. Он призывал своих сотрудников изучать научное наследство Лебедева, продолжать исследования в тех направлениях, которые, по мнению покойного основателя московской школы физиков, сулили ценные открытия.

Среди таких проблемных направлений выделялось трудностью, но в то же время и важностью одно: теория света на основе квантовых представлений.

Существовавшая в то время общепризнанная теория света строилась на основе волновых электромагнитных представлений. Иначе говоря, большинство считало, что свет — это волны, световые явления рассматривались как чисто волновые электромагнитные процессы.

И вдруг в начале века было установлено, что временами свет ведет себя как крохотная долька вещества, напоминает частицу. Неужели воскрешалась отвергнутая идея Ньютона (он тоже думал, что свет состоит из частиц)? Нет, все выглядело сложнее. Говоря: «напоминает» частицу, совсем не утверждали: «является» частицей. Во всяком случае, частицей в обычном смысле. Имели в виду другое: что свет состоит из частиц электромагнитного излучения.

Макс Планк, открывший существование такого рода частиц, назвал их квантами, порциями. Только световые кванты кое-чем отличаются от всех других частиц материи, например тем, что движутся с одной и той же — наибольшей в природе — скоростью: световой (в пустоте примерно 300 тысяч километров в секунду). Поэтому у световых квантов есть особое название: фотоны.

В новой теории было еще много противоречивого и неясного. Она удовлетворительно объясняла некоторые явления, возникающие при взаимодействии света с веществом (и необъяснимые с точки зрения классической физики; например, случайные отклонения предельно малых интенсивностей света — «квантовые флуктуации» — при попадании луча света на чувствительный его приемник). Зато другие оптические явления (такие, например, как интерференция и дифракция света) новая теория не объясняла никак; да и не требовалось вроде никакого объяснения, потому что те явления прекрасно истолковывались классической физикой, рассматривающей свет как волновой электромагнитный процесс.

И в физике установилось странное положение: одновременное сосуществование двух взаимоисключающих теорий, обеих, в сущности, неудовлетворительных. Каждая объясняла один ряд явлений, но тут же принципиально отказывалась от объяснения явлении остальных.

Новая теория не могла восторжествовать. А для исследователя открывалась манящая, неизведанная земля.

Неудивительно, что, когда Петр Петрович Лазарев предложил Вавилову заняться этой темой, Сергей Иванович с радостью задание принял.

Принял и тут же с жаром, с молодым порывом взялся за работу.

Он начал с изучения истории вопроса. Прекрасное знание языков помогает ему познакомиться с проблемой в короткий срок по оригинальным материалам. Подчеркивая недостаточную доказанность теории, Вавилов, как и его товарищи, долго ставит выражение «световые кванты» в кавычки. Постепенно он суммирует полученные сведения и старается найти пути проверки необычных квантовых представлений.

Случайно ли получилось так, что первое задание демобилизованный физик получил именно такое? В известном смысле да, ведь были и другие важные проблемы, «завещанные» Лебедевым.

Но совершенно не случайными оказались два счастливых последствия «оптического начала» научной деятельности Вавилова: оно помогло Вавилову найти себя, определить свое направление в науке, физике. Позднее Сергей Иванович занимался многим, но все же любимым для него направлением — и навсегда — стала физическая оптика. Не зря же он признавался иногда в разговорах: «Свет — мое призвание».

Вавилов не только серьезно заинтересовался природой световых явлений и новыми идеями в различных областях физической оптики. Как человек молодой, не обремененный грузом цепких старых представлений, он с гибкостью расцветающего таланта отлично усваивал все новое, перспективное.

Занятно, что как раз на примере всей последующей деятельности С. И. Вавилова можно лишний раз проиллюстрировать правоту одного психологического вывода того же Макса Планка, сделанного позднее в биографических признаниях:

«Я смог установить один, по моему мнению, замечательный факт. Обычно новые научные истины побеждают не так, что их противников убеждают и они признают свою неправоту, а большей частью так, что противники эти постепенно вымирают, а подрастающее поколение усваивает истину сразу».

Глава 2. Багриновские и Веснины

Трудно приходилось всем. Было трудно и маленькому коллективу Физического института. Как часто не из чего было изготовить лабораторный прибор. Как часто во время ответственного оптического опыта неожиданно гас свет и все приходилось начинать сначала. В лучшем случае падало напряжение, и Сергей Иванович, довольный тем, что опыт не сорвался, педантично записывал в журнал: «Уменьшению показаний соответствовало понижение напряжения в цепи городского тока, питавшего лампу».

И все же работа двигалась вперед. Материалы для приборов как-то доставали. В крайнем случае подгоняли конструкцию под доступный материал. Сорванные опыты компенсировали повторными.

Так как обыкновенных помощников-лаборантов у руководителей работ не было, они сами часто превращались в помощников друг у друга. Вавилов производил измерения на установках товарищей. Товарищи — П. Н. Беликов, М. И. Поликарпов, Б. В. Дерягин и другие — помогали на установках Вавилова.

Особенно чувствовалась дружеская поддержка неразлучной пары — Трофима Кононовича Молодого и Эдуарда Владимировича Шпольского — Солнца и Луны, как их называли сотрудники. Они к Сергею Ивановичу стояли ближе остальных, особенно Молодый. Увы, как раз его Вавилов вскоре потерял: Молодый раньше всех ушел из жизни…

Однажды — это было либо в конце 1918-го, либо в самом начале 1919 года — в комнату, где работал Сергей Иванович, зашел Шпольский:

— Ты, кажется, ищешь квартиру для занятий?

Вавилов ответил утвердительно.

Товарищ предложил помочь. В том доме, где он жил, в Успенском переулке на Арбате, у его соседей Весниных была большая квартира. В связи с жилищным кризисом сейчас всем предложили самоуплотниться. Предложили и Весниным. На всякий случай товарищ назвал своим соседям фамилию Вавилова. Они не возражали.

— Если хочешь, поедем хоть сейчас. Посмотришь обстановку и решишь.

Веснины… Фамилия эта Сергею Ивановичу была хорошо знакома. Три брата, архитекторы (потом и градостроители), — кто в Москве, даже тогда, не слышал этой фамилии?

Главное, правда, в своей жизни они сделали потом. Леонид Александрович, старший брат, как раз в 1919 году приступил к проекту Шатурской электростанции, одной из первых районных тепловых электростанций, построенных по плану ГОЭЛРО. Позднее он планировал Туапсе, Кузнецк и ряд других городов (сегодня его имя носит одна из арбатских улиц). Средний брат, Виктор Александрович, прославился созданием архитектурной части комплекса Днепрогэса, проектом застройки Запорожья, проектом Дворца культуры Московского автозавода. Младший, Александр Александрович, работал совместно с братьями, как и они, стал профессором, получил известность еще и как театральный декоратор.

По договоренности со средним Весниным Вавилов переносит в Успенский (ныне Большой Могильцевский) переулок только свои книги. Устраивает в выделенной комнате рабочий кабинет.

Так произошло знакомство будущего академика и президента Академии наук СССР с будущим академиком и президентом Академии архитектуры СССР Виктором Александровичем Весниным.

Так вошел Вавилов в дом, где он впервые встретился с Ольгой Михайловной Багриновской, сестрой хозяйки дома и своей будущей женой.

Дочь московского присяжного поверенного, помощника 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 паук: один — истории в Казанском университете, другой — римского права в Москве. Одна тетушка, Екатерина Павловна Полянская, была артисткой Малого театра и крупной общественной деятельницей, организовала, например, в Москве на Сухаревской площади первый Народный театр. Другая 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 почти таких семьях царила тогда музыкальная атмосфера. Музыка настолько 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.

Рано приобщились к музыке — пели — и средние (из четырех) сестры Багриновские: Наталья и Ольга. Родители, правда, не смогли им дать до конца соответствующего образования: отец рано умер, состояния не было, и приходилось жить на то, что зарабатывали. Но вся окружающая обстановка и врожденные данные приносили свои плоды. Не пели и не учились петь только старшая Татьяна и младшая Екатерина. У Натальи было лирическое сопрано, она затем стала профессиональной певицей. У Ольги — меццо-сопрано. Их знали и любили в литературно-музыкальных кругах.

Тяготея к музыке и искусствам, сестры Багриновские не отклонялись и от общественных интересов. Все, чем жила передовая молодежь того времени, затрагивало и волновало их. В воздухе носились грозовые идеи революции, в их атмосфере созревало и мироощущение сестер Багриновских. Они читали книги по политэкономии, раздумывали над будущим России. Дома с друзьями вели политические дискуссии.

Переходя Арбатскую площадь, центр интеллигентского района Москвы, часто слышали взволнованные речи студентов. На месте нынешнего кинотеатра «Художественный» тогда находилась знаменитая аптека крупнейшей в стране аптекарской фирмы Р. Кёлера, а рядом на бульварах собиралась молодежь, обсуждала, как помочь народу.

Уже пылало пламя первой мировой войны, когда Ольга Багриновская, блестяще сдав вступительные экзамены, поступила в Московскую консерваторию по классу пения. Ее учителем стал знаменитый преподаватель итальянец Умберто Мазетти, среди учениц которого были, например, такие прославленные затем певицы, как А. В. Нежданова и В. В. Барсова (Владимирова). Заветное желание Ольги Багриновской стать камерной певицей было уже близко к осуществлению.

Однако все получилось по-иному.

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

Лишь после революции Ольга Михайловна вернулась в Москву и поселилась у сестры Татьяны. Татьяна Михайловна жила в Еропкинском переулке в доме № 16.

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

Сергей Иванович удивительно подошел к этому кружку. Он был застенчив, но здесь чувствовал себя легко: все было ему созвучно.

Их свадьба состоялась два года спустя после знакомства. 8 июня 1920 года произошло решающее объяснение, и Ольга Михайловна дала согласие на замужество. 25 июня в поселке Растяпино под Нижним Новгородом (ныне город Дзержинск), где В. А. Веснин строил химический комбинат, в доме Весниных состоялась свадьба.

Союз Сергея Ивановича и Ольги Михайловны выдержал все испытания — внешние и внутренние. Дружба редкой силы и красоты, духовная близость отличали всю их совместную тридцатилетнюю жизнь.

Замужество Ольги Михайловны почти совпало 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. Молодожены с радостью приняли дар и поселились в Еропкинском переулке. Сергей Иванович уже навсегда оставил Пресню.

Нельзя сказать, что в Еропкинском они получили завидные апартаменты. Две небольшие комнатки в старом каменном московском доме, квартира коммунальная, рядом еще три семьи. Обстановка не очень приглядная.

Здесь началась семейная жизнь Вавиловых, здесь они прожили одиннадцать лет, здесь складывалась их дружба.

Глава 3. Кванты существуют? Это еще вопрос

Огромные перемены в личной жизни Сергея Ивановича 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 ученый достиг порога научной зрелости.

Нет, он не сделал в эти дни фундаментальных открытий. Не ответил ни на один большой вопрос, а тот единственный ответ, который он пытался тогда дать, был, как выяснилось впоследствии, 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 такой известный физик, как 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 продолжает свои исследования. Одновременно ведет большую научно-организационную работу. В феврале двадцатого года лаборатория, руководимая П. П. Лазаревым, была преобразована в Институт биологической физики 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.

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 либо опровергнуть теорию квантовой прерывистости 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).

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 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 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, четко обозначилась в сознании, Вавилов твердо знал: она верна. Товарищи, с которыми он поделился своими выводами, 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, то есть 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 ослабеет при этом. После этого увеличьте яркость первичного пучка. Если хотите, напротив, 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. Он говорил, что Пьер Бугер в своей области «является такой же замечательной фигурой, как Кеплер или Ньютон. Бутер впервые ввел количественное измерение света», то есть, как называется это в физике, фотометрию.

И вот, исходя из безупречности основного закона абсорбции (поглощения) света, Сергей Иванович разработал принципы опытной проверки квантовой теории света.

Безупречный там, где его установили, то есть в обычных условиях практики, в условиях, где световые кванты, даже если они есть, себя не проявляют (и, значит, можно не обращать на них внимания, даже если свет зернист), закон Бутера, однако, должен нарушаться в каких-то специальных случаях, в таких, где квантовая структура света не может о себе умалчивать.

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 атомах и 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, напротив, прекращающих излучать при ударах. Естественно, что, испускаемые хаотически мятущимися туда и сюда молекулами и атомами, фотоны не могут двигаться так, чтобы через какую-нибудь точку пространства их пролетало бы за единицу времени неизменное число.

Беспорядок по вине таких «классических» причин усиливается за счет непрерывного поглощения фотонов мельчайшими частицами вещества (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 в них так много, что, как показывает статистическая физика, отклонения их числа от среднего значения практически неизменны: 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 «фотонно», то в этом случае количество падающих квантов в каждый данный момент времени не будет одинаково; око будет испытывать статистические колебания вокруг среднего значения. А это 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 велика?

Объяснение и здесь несложное.

Постепенное увеличение интенсивности падающего света станет приводить в возбужденное состояние все большее количество вещества. Все большее число молекул или атомов будут поглощать 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 частиц материи окажется возбужденным. Это неизбежно приведет к уменьшению коэффициента поглощения и к нарушению закона Бугера при сверхвысоких интенсивностях.

Итак, лакмусовая бумажка — средство для проверки — 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 квантовой теории света.

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. Но это разве столь уж малый интервал? Да, совсем ничтожный.

— Разве можно на такой основе заключать об универсальности закона Бугера? — сказал руководитель отдела физической оптики директору института. — От минимального потока, где возможно нарушение закона по одной причине, до максимального потока, где мыслимо нарушение закона по другой причине, интервал плотностей должен быть во много раз большим. Надо изменять поток не в тысячу, а в триллионы, в тысячи триллионов раз.

— Как же вы добьетесь этого при нашей скромной аппаратуре? — с сомнением заметил Лазарев. — Где раздобудете надежные, 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 улицы, а от Немецкой до Миусов, 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 в лабораториях. То было на рубеже XVII и XVIII веков. Потом визуальный метод был основательно забыт. И вдруг ученый-физик XX столетия предлагает возродить его, причем не для курьеза и не для какой-то второстепенной роли, а для проверки ультрасовременной физической теории…

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

— Вы точно сформулировали мои намерения, — таков был смысл ответа. — 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 опытах Сергея Ивановича, что еще замечательнее, впервые в новое время для целей фотометрирования была использована исключительно высокая чувствительность человеческого глаза.

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

Сейчас, кстати сказать, положение изменилось. Построены фотонные счетчики, и они безупречно подсчитывают число проскакивающих через них фотонов. Фотоны заставляют щелкать счетчики. Снова отпала надобность обращаться к чувствительности человеческого глаза в опытах вроде описываемого. Но это ни в коей мере не умаляет научного значения экспериментов, поставленных С. И. Вавиловым в 1920 году.

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, наконец, к окрашенной желатиновой пленке для частичного поглощения. Двигая шибер реостата, регулирующего накал лампы, эскпериментатор 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 и таких опытов оказался неутешительным для гипотезы квантов света: 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 письменного и устного выступления: квантовая теория не подтверждается экспериментально.

Это был неверный вывод, и поздней Сергей Иванович, конечно, от него откажется. Но объективно тогда у Вавилова были веские основания выступать против идеи о квантовой структуре света.

Ведь вопреки тому, что ожидалось с точки зрения теории световых квантов, закон Бугера соблюдается при изменении плотности падающего светового потока в фантастически больших пределах: примерно от ста миллионов эргов до одной триллионной доли эрга в секунду на один квадратный сантиметр. Максимум преобладал над минимумом в 10²⁰ раз (в сто миллионов триллионов)!

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

Но так ли уж безупречно истолковывались полученные 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 про себя и защищает только то, что может подтвердить практическим примером.

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

В 1929 году Институт биологической физики был переименован в Институт физики и биофизики. В нем работало в то время 36 штатных сотрудников, в том числе: С. И. Вавилов, Б. В. Ильин, В. Л. Левшин, Т. К. Молодый, А. С. Предводителев, П. А. Ребиндер, А. К. Трапезников, Э. В. Шпольский, В. В. Шулейкин. На торжественном заседании 27 апреля 1929 года, посвященном десятилетию института, его директор П. П. Лазарев начал свою речь с истории юбиляра:

«Институт биологической физики, переименованный в 1929 году в Институт физики и биофизики, возник в качестве исследовательского учреждения в 1919 году сначала в виде небольшой лаборатории при рентгеновской, электромедицинской и фотобиологической секции Наркомздрава. Эта лаборатория воспользовалась для своих работ создавшимся ко времени революции первым научно-исследовательским институтом по физике в России — физическим институтом Московского научного института, оконченным постройкой… и начавшим свои работы в январе 1917 года.

В число сотрудников лаборатории секции Наркомздрава вошли лица, работавшие в лаборатории П. П. Лазарева при университете имени Шанявского».

Первый в стране научно-исследовательский институт по физике набирал хороший темп работы. В нем были представлены важнейшие области физики: акустика, молекулярная физика, фотофизика и фотохимия, биофизические исследования, работы, связанные с геофизикой.

Глава 4. В кругу родных

Ставя все новые оптические опыты, Вавилов вместе с тем был занят заботами, к науке никакого отношения не имеющими. Двадцатый 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. Думал он и о жене, которая часом раньше ушла на вокзал выгружать дрова из вагона.

Окончив практикум, физик зашагает в лабораторию. А Ольга Михайловна наймет студента, подрабатывающего лошадью с большим возом, и, счастливая удачей, будет везти свои дрова через всю Москву. Разгрузив их с помощью студента, она побежит в филармонию, где ее учительница Мария Владимировна Владимирова 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 не принимали близко к сердцу трудности тех времен. Они сошлись в этом равнодушии к невзгодам материального порядка.

Он никогда не ворчал, не жаловался: ни на холод в квартире, ни на скудный продовольственный паек, ни на бедность лабораторного инвентаря, с которым приходилось вести научную работу. Она чувствовала себя прекрасно в рабочем платье и с таким веселым видом носила охапки дров, будто всю жизнь только этим и занималась.

Когда Сергей Иванович приезжал к матери, его немедленно осаждали племянники — Таня и Александр Ипатьевы. У них всегда была уйма вопросов, и они не уставали расспрашивать дядю Сергея обо всем, о чем расспрашивают дети в 10–13 лет.

А. Н. Ипатьев — о С. И. Вавилове: «Дядя Сережа действовал на мое воображение как «злой насмешник». Помню, что мы с сестрой Таней звали его одно время «дядей Вурстой» (что значит «колбаса»), так как нас он именовал «хансвурстами». На паше детское воображение действовал и страх, который испытывали мы, дети Александры Ивановны, от первых физических опытов будущего знаменитого физика».

Сергей Иванович и развлекал своих племянников всевозможными выдумками и шутками.

Как-то в квартире Ипатьевых поселился военный по фамилии Текутов с сынишкой по прозвищу Киска. Сергей Иванович сочинил по поводу забавного происшествия с Киской четверостишие:

И взрослыми дети Александры Ивановны никогда не забывали этого четверостишия: часто читали его знакомым и друзьям, особенно детям.

Наступил 1921 год. В жизни Вавиловых произошло большое событие: родился сын Виктор.

Радость от рождения ребенка омрачалась натиском больших забот и, казалось, непреодолимых трудностей. Если раньше можно было не замечать (или делать вид, что не замечаешь) всех этих острых нехваток самого необходимого, то теперь надо было постоянно думать о том, чтобы Викуша был сыт, одет, не болел бы.

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

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

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

Оптимизм и упорная вера в будущее, однако, не оставили Вавиловых.

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

…Брат Николай Иванович был в это время профессором Петроградского сельскохозяйственного института и заведовал Бюро по прикладной ботанике и селекции Сельскохозяйственного ученого комитета там же в Петрограде. В мае 1921 года Советское правительство послало его в США на международный конгресс по сельскому хозяйству. Одновременно он был назначен научным консультантом в переговорах с министром торговли и промышленности США по вопросу о ввозе семян в голодавшую Россию.

Из Америки, пользуясь своими связями с АРА, американской благотворительной организацией для помощи голодающим Поволжья, он посылал семье Сергея Ивановича и самым нуждающимся своим сотрудникам продовольственные посылки: смальц (топленое сало), муку, сгущенное молоко, консервы.

Были и другие подарки.

Н. И. Вавилов в письме домой (1921): «Для Сергея достал одну книжку, которую он одобрит. Отчеты всех физиков о новейших работах Института Вильгельма, Эйнштейна и прочих. Только что вышла, но боюсь посылать по почте. Очень дорогая: 6 долларов, и в ней кое-что для меня».

Но главное было предназначено для матерей — и молодых и старых.

Только одна мать была разгневана и не старалась скрыть это 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 в начале 1922 года, обносившийся еще сильнее, чем до отъезда. — А еще профессор! И не стыдно тебе разъезжать так по Европам: одна нога в салфетке, другая в носке?! Не говори, что не хватило денег! Выкроил бы из одной посылки, если бы захотел…

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

Многосторонняя исследовательская работа велась одновременно с насыщенной преподавательской работой в московских высших учебных заведениях. Плюс неизбежная дополнительная нагрузка и как на молодого отца… Было непостижимо, как Сергей Иванович успевал все делать и везде добивался успеха.

Вспоминая начало двадцатых годов, Ольга Михайловна рассказывала:

— Это было время страшно напряженной работы. Духовная зрелость Сергея Ивановича, поразившая меня еще при нашей первой встрече, превратилась в огромную мощь. В нем была какая-то детская серьезность и строгость без тени позы. Это не допускало в общении с ним никакой фамильярности. Его уважали и как будто даже побаивались. Стараясь оторвать его от бесконечной работы, шутя я говорила ему: «Корни науки горьки, но и плоды ее не слаще». И еще советовала изречение это (не помню имени автора) вывесить над всеми входами в университеты. Он смеялся в ответ и пожимал плечами. Зато, когда находил решение, весь преображался. У него в такие минуты было страшно хитрое, веселое и счастливое лицо.

В двадцатых годах под наблюдением Вавилова были получены первые удачные люминесцирующие составы, пригодные для изготовления люминесцентных ламп. Радостный и торжествующий приходил ученый домой после получения первых сообщений об успешных испытаниях новых люминесцирующих составов. Сдержанный, как всегда, он не рассказывал домашним, что у него удача, что она в том-то и в том-то. Но радость рвалась наружу и изливалась каскадом шуток.

Не одна Ольга Михайловна догадывалась об этой радости. Для матери также не были секретом удачи ее сына.

Все дальше уходил в прошлое тот день, когда Сергей Иванович оставил дом Александры Михайловны, чтобы создать собственную семью. Но любовь его к матери оставалась неизменной. Он регулярно навещал Александру Михайловну.

Правда, теперь это случалось уже не ежедневно, как в первый год после свадьбы. И даже не через день, и не по четвергам и по воскресеньям, как было несколько позднее. Года два спустя «родительским днем» в неделе осталось одно лишь воскресенье, зато оно никогда не пропускалось. Если не считать исключительных обстоятельств: отъезда, болезни и так далее, не было такого воскресенья, когда Сергей Иванович и Ольга Михайловна не навестили бы дом на Средней Пресне.

И для матери, и для сына такие встречи были настоящим праздником. Сыну не мешали многочисленные старушки, иногда толпившиеся в доме матери. Наоборот. Он их ужасно любил, и именно они обычно принимали на себя заряд добродушных шуток, вызванных успехом на работе.

— Да, — говорил, бывало, Сергей Иванович, напустив на себя скорбный и соболезнующий вид. — Декрет уже подписан…

— Какой декрет? — с ужасом спрашивали старушки, чувствуя, что слова относятся прямо к ним и что в них нет ничего хорошего.

— Разве вы не слышали? Чтобы всех старушек одеть в спортивные трусики и майки и заставить их маршировать на Арбатской площади…

Москва в то время была полна самых невероятных слухов, и им верили.

Старушки охали и крестились, и их черные, туго повязанные платки испуганно тряслись. Сколько раз Вавилов разыгрывал их самым невозможным образом, и каждый раз они попадались на удочку.

Но шутка не затягивалась.

Насладившись произведенным эффектом, Сергей Иванович сам начинал смеяться первым, и старушки успокаивались.

Ни одной из них, конечно, и в голову не пришло бы, что чем невероятнее была шутка, чем громче смеялся над ней сам шутник, тем удачнее, значит, получился у него какой-нибудь опыт или тем перспективнее оказалась какая-то вынашиваемая идея.

Глава 5. Кванты можно увидеть!

Когда Сергей Иванович стал заниматься проблемами люминесценции, к нему перешел, оставив прежние работы по акустике, 25-летний Вадим Леонидович Левшин. С тех пор и на долгие годы Левшин стал ближайшим помощником и соратником Вавилова, участником многих совместно проведенных исследований.

П. И. Феофилов о взаимоотношениях В. Л. Левшина и С. И. Вавилова: «В самом начале своей работы в Институте физики и биофизики Наркомздрава Сергей Иванович привлек к исследованиям люминесценции молодого физика В. Л. Левшина. Люди во многом разного склада и характера, Сергей Иванович и Вадим Леонидович, взаимно дополняя друг друга, плодотворно сотрудничали в течение ряда лет и выполнили несколько фундаментальных работ по поляризации и законам затухания люминесценции. Это сотрудничество прервалось ненадолго, когда Сергей Иванович в 1932 году был приглашен Д. С. Рождественским на пост научного руководителя Государственного оптического института и переехал в Ленинград… и возобновилось, когда в 1934 году ряд академических институтов был переведен из Ленинграда в Москву».

Близкими друзьями они, возможно, и не стали, но так долго и так согласно проработали вместе, что прекрасно понимали один другого. Их связывали узы такой симпатии, что однажды Сергей Иванович все же не выдержал и сказал Левшину:

— Нам надо бы и подружиться.

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. Смотрите, 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 флуоресцин, 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. И снова становится невозбужденной. Чтобы возбудить ее снова, надо посылать к молекуле новый квант возбуждающего света, новый фотон.

Разговор происходил в лабораторной комнате. Лёвшин 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 — применять 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 уранилнитрата. 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 ураниловое стекло, помещенное в приборе, свет мощной конденсированной электрической искры, исследователи убедились, что коэффициент поглощения в данном случае изменяется. Закон Бугера оказался нарушенным.

Это был первый сокрушительный удар по прежним, классическим представлениям о природе света.

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

Однако оставалась другая крайняя область: очень слабых интенсивностей. Если свет прерывен, прерывность должна сказаться и в этой области. Почему же 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 описал выводы, которые когда-то сделал.

У человеческого глаза есть еще одна, кроме наличия порога зрения, физиологическая особенность, важная для оптики. 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 статические 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, — возможно, рассуждал Вавилов, — что тогда получится? В некоторый момент времени под влиянием флуктуаций 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 заметит 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 флуктуаций света. Но глаз пригоден для этой цели».

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.

Как?

Чуть ли не на протяжении всей своей жизни Вавилов 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 fiir 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, при которых никак нельзя было избежать многочисленных и очень сильных физиологических флуктуаций, хорошо известных физиологам и психологам, — писал он, — 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 общей цели: «увидеть кванты».

Работы эти проводились уже в Ленинграде, в Государственном оптическом институте. Они продолжались долго: целых десять лет, начиная с 1932 года и вплоть до самой войны — 1941 года. Кроме Вавилова, в них участвовали Е. М. Брумберг, Т. В. Тимофеева и З. 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 флуктуаций света можно рассчитывать лишь в том случае, если удастся обеспечить соблюдение трех условий:

1) кратковременность световых вспышек;

2) небольшие размеры изображения на сетчатке глаза;

3) строгую фиксацию его (глаза) положения.

Первое условие требовалось для того, чтобы устранить усредняющее действие непрерывного 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 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 части сохранились в первоначальном виде. Установка надолго стала лучшим инструментом для изучения флуктуаций квантов света.

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

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

— Причем пучок должен быть еще и монохроматическим, одноцветным, — добавлял студент, желая подчеркнуть, что он 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 — ослабить световой поток во столько раз, во сколько это нужно наблюдателю.

Убедившись, что у студента нет вопросов, инструктор продолжал:

— 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 застывает. Он весь внимание. Ведь 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 вот 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 маленьким 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, не умещается?

— Можно бы. Но зачем? Так удобнее.

Инструктор рассказывает и остальное.

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 количество световых сигналов, объективно посланных к наблюдателю, с числом сигналов, принятых им субъективно. Полученные данные позволяют хорошо судить и о наличии флуктуаций в количестве световых квантов, и о характере этих флуктуаций.

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 еще долго будет видеть собственный свет сетчатки — световые 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. Одновременно 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.

Не все относились к этим опытам серьезно. Находились люди, которым это представлялось настолько методологически неоправданным, что они острили:

— Просидишь столько времени в темноте, не только кванты — самого черта увидишь!

Все же опыты принесли тот результат, который от них ожидали.

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 флуктуаций окончательно подтверждало справедливость квантовой теории, причем самым наглядным, убедительным для всех образом.

— Человек, который первым увидел кванты! — полушутя-полусерьезно говорили о Сергее Ивановиче студенты.

Сотрудников лаборатории физической оптики вместе с их руководителем называли дружески «охотниками за фотонами».

Сейчас, когда прошло уже много лет со дня тех опытов, приходится порою слышать, что Вавилов перестарался, убив так много времени, чтобы убедиться в квантовой структуре света. Ведь, когда ставились знаменитые вавиловские опыты в темноте, было и без того достаточно убедительных свидетельств, что свет состоит из квантов. Говорят: необязательно было перепроверять это заново, да еще вводя такой элемент установки, как выдержанное в темноте зрение лаборанта.

В действительности невозможно переоценить научное значение экспериментов, проведенных под руководством Сергея Ивановича Вавилова по визуальной проверке квантовой природы света: оно огромно.

Подтверждением того, что свет действительно «зернист» и что «зернистость» эту можно увидеть воочию — непосредственным 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.

Сергей Иванович, который очень любил те опыты и гордился ими, часто говорил:

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

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.

И по сей день визуальные опыты Вавилова оцениваются очень высоко.

«Значение опытов по визуальному наблюдению квантовых флуктуаций не ограничивается наглядностью, с которой они демонстрируют квантовую структуру светового потока, — писал Петр Петрович Феофилов, бывший ученик Вавилова, крупнейший советский специалист по физической оптике. — С. И. Вавилов показал, что визуальные наблюдения флуктуаций позволяют решать тонкие вопросы физиологии зрения. Так, например, флуктуационный метод определения чувствительности сетчатки позволил обнаружить второй максимум чувствительности в ультрафиолетовой части спектра, существование которого было подтверждено впоследствии независимыми наблюдениями спектральной чувствительности глаза, лишенного хрусталика».

Прекрасная тема исследовательских работ для физиологов! Особенно когда стало выясняться, что человек способен заметить квантовые флуктуации — колебания в ту или другую сторону — и при сравнительно высоких яркостях. То есть когда квантов совсем не единицы — их много. Сегодня ученые уже предпринимают первые попытки создать совершенно новую флуктуационную теорию зрения.

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

Не обошлось без курьезов. Некоторые западные физики старались замолчать достижения Вавилова, некоторые 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 результаты своих оптических визуальных измерений квантовых флуктуаций. Схема опытов американцев отличалась от схемы советского ученого 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 флуктуаций 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 явно ошибочен.

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