Сергей Вавилов

Глава 1. Упорство

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

Сергей Иванович был человеком иного склада. Его глубокие переживания никогда не выставлялись напоказ. Даже близкие друзья о них, как правило, не подозревали. Он никогда не ликовал бурно, даже завершив успешно сложное исследование. Не огорчался «вслух», когда случались неудачи. В отличие от брата Николая — души общества, весельчака и балагура, человека, постоянно окруженного друзьями и поклонниками, — был он очень сдержан, пожалуй, даже замкнут. Не терпел слишком бурного 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. В обоих случаях он говорил: «Полна чудес могучая природа».

И все.

Желая поторопить сотрудника, замечал, словно бы между прочим: «Помните, бежит завистливое время».

Все это было, конечно, не от недостатка внутренней теплоты, чуткости. Просто он хорошо усвоил уроки своего детства, привычки, воспитанные матерью, отцом.

Вавилов внутренне был недоступен для большинства людей, с которыми встречался. Редко писал письма, а если и писал, то никогда глубоко не раскрывая своих переживаний. Очень личное Сергей Иванович доверял лишь своим интимным дневникам, заметкам. Вавилов не любил, когда его заставали за таким писанием. Если в такой момент в комнату случайно заходила даже Ольга Михайловна, Вавилов хмурился, прикрывал тетрадь рукою и ждал, когда опять останется один.

Один из учеников его, Никита Алексеевич 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 скорее был меланхоличен по натуре. Но шутку понимал, и когда смеялся, то смеялся от души, порою в буквальном смысле слова до слез. Смеялся, впрочем, не всему. Юмор Вавилова не мирился, например, с анекдотами.

Если юмор приоткрывал завесу над, так сказать, лирической стороной души Сергея Ивановича, то было нечто, приоткрывавшее ту сторону души, где жили цели и идеалы. Это упорство, с которым ученый постоянно обращался к тому, что его всего больше мучило и волновало.

Не довольствуясь зрительными опытами для изучения фотонных флуктуаций, Сергей Иванович параллельно старался обнаружить квантовые черты света и в таких оптических явлениях, которые считались раньше типично волновыми.

Сюда относилось, например, явление интерференции света.

Само слово «интерференция» происходит от латинских корней «интер» — взаимно, между собою, и «ференс» — несущий, переносящий. Термин был введен 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 подобные пучки усиливают друг друга, в других — взаимно 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 темными, неизменными. Зато свечение ярких полос должно флуктуировать во времени, когда 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 уже есть: та, на которой проводились опыты по изучению квантовых флуктуаций. Мне кажется, эта установка вполне пригодна для проверки квантовой картины интерференции.

Вавилов и 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, свойства своеобразных частиц. То, что постепенно стало называться «корпускулярно-волновым дуализмом света» (то есть связываться с представлением о мельчайшем «зернышке» света как одновременно и частице и волне), выступает здесь с полной убедительностью.

После опытов с интерференцией света Вавилов осуществляет ряд других удачных опытов с целью вновь и вновь подтвердить правоту квантовой теории света. Как маг-волшебник, обращается он то к одному, то к другому «классически-волновому» процессу и, «взмахнув волшебной палочкой», превращает его в четко выраженный корпускулярный.

Однажды поместив на пути пучка зеленого естественного света так называемую бипризму Френеля, преломляющее ребро которой расположено горизонтально, Сергей Иванович получил 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 в данном случае».

Не менее остроумные эксперименты были проведены с поляризованным («расщепленным» во взаимно перпендикулярных направлениях) светом. С помощью так называемой призмы Волластона Сергей Иванович 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. Как, кстати, не располагает ею и сейчас, благодаря чему и в наше время, в эпоху выхода человека в космос и всяческих чудес микромира, 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, например, писал 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».

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 Сергей Иванович 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, полученного простыми наблюдениями вывода.

Первые измерения ученый 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 небесным: 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»[14].

Короче говоря, нарушения принципа суперпозиции надо искать в солнечной системе.

Обычно явление солнечной короны объясняют рассеянием солнечных лучей атомами и электронами. Возможно, однако, что свет короны вызывается под влиянием рассеяния фотонов в результате их столкновений. Вавилов принял 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 сантиметра (то есть единицы, деленной на единицу с двадцатью нулями) — 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.

По новейшим данным, эффективные поперечные сечения квантов света в тысячи или даже во многие тысячи раз меньше, чем считал Вавилов. Эти сечения столь малы, что даже современные экспериментальные возможности не позволяют обнаружить саморассеяние света в пространстве, не имеющем вещества. Неудивительно, что пока нет никакой надежды обнаружить взаимодействие фотонов в условиях лаборатории. Свет может рассеиваться светом, теоретически это бесспорно. Но практическое подтверждение такого вывода — дело будущего.

Оно, однако, вероятно, не за горами. Работы Вавилова приблизили физиков к решению и этой фантастически сложной задачи. Выявив наглядно трудности решения, замечательный советский оптик показал одновременно и то, что оно не за пределами возможного.

Глава 2. Источник вдохновения

У Цвейга есть прекрасные слова: «Чудотворны бывают в истории мгновения, когда гений отдельного человека вступает в союз с гением эпохи, — когда отдельная личность проникается творческим томлением своего времени».

Слова эти очень подходят к Сергею Ивановичу Вавилову. Его настоящая глубокая научная работа началась как раз в первые годы существования Советского государства. Он жил одним порывом со своим временем, со своим народом.

Любовь к природе определила в свое время для Вавилова выбор специальности: воспитанник коммерческого училища стал физиком. Встреча с Лазаревым и другими лебедевцами после демобилизации привела его к разделу физики: оптика. Почему главной областью своей личной научной деятельности в оптике Вавилов избрал люминесценцию? Не потому ли отчасти, что считал эту область одной из самых важных для восстановления народного хозяйства?

Символично появление первого труда С. И. Вавилова по люминесценции «Зависимость интенсивности флюоресценции красителей от длины волны возбуждающего света» в 1922 году.

Это был во многих отношениях примечательный год для молодой Советской республики. Страна залечивала раны и готовилась к великим преобразованиям. Еще гремели орудия гражданской войны, а народ в залатанных шинелях и в тяжелых армейских сапогах уже принимался за дела мирной жизни.

Восстанавливались заводы. Их механические цехи переключались с производства зажигалок на изготовление вагонных скатов и шахтных клетей. Поднимались из руин металлические предприятия юга России. На реке Волхове кипела работа по сооружению первой в стране большой районной электростанции. Пламенный энтузиаст радиотехники Михаил Бонч-Бруевич по заданию Ленина строил в Москве «типографию» для «газеты без бумаги и расстояния» — радиовещательную станцию имени Коминтерна. Это было первое советское техническое сооружение, о котором сказали: «крупнейшее в мире».

Всеобщее кипение созидательных страстей не могло не передаться и сотрудникам Института физики и биофизики. Ветер эпохи проникал сквозь стены лабораторий. Представители физических наук все больше отходили от идеала старых ученых: «наука для науки», и задумывались над тем, как помочь своими знаниями народному хозяйству. Даже самые далекие от жизни, самые, казалось бы, абстрактные разделы физики становились ареной поисков их прикладных возможностей.

Вавилов хорошо слышал голос эпохи. Слышал и другие голоса, будившие творческое томление, и отдавал себя всего избранной работе, отдавал самозабвенно, до печали…

Есть печаль особая, печаль творческих натур. Не впечатления от пережитого лежат у ее истоков. Потому ее не устраняют радостные события личной жизни: научные успехи, счастливый брак, приобретение желанного. Скорее наоборот: она ведь не от утрат, а от обладания. Она от ненасытной жадности духовной, от вечной неудовлетворенности ответами на вопросы, задаваемые природе.

Вавилов остро чувствовал глубину и необъятность мира. Давно рассеялся тот детский пантеизм, через который проходят все впечатлительные натуры. Но восхищенное удивление природой осталось. Осталось и чисто русское томление по истине. А с ним сохранилась и усилилась всегда сопутствующая большому чувству неизбывная печаль.

Вавилова нельзя понять, не зная этого. Наоборот, многое раскрывается в этом сдержанном человеке, когда мы обращаемся к источникам его эрудиции и обнаруживаем, что они не только в разуме, но и в недрах сердца, во всем мироощущении ученого.

Говорят, человек и обстановка, в которой он живет, похожи друг на друга. Если это правильно, то по предметам обстановки можно смутно угадать какие-то черты того, кто находился в их окружении.

Домашняя обстановка Вавилова мало изменялась с годами.

Отличаясь консерватизмом в привычках, он невероятно привыкал к вещам и всеми силами противился их переменам, хотя бы самым незначительным (лет двадцать пять он, например, носил одни и те же запонки, нимало не смущаясь тем, что они были разными).

Рабочий кабинет Сергея Ивановича, оборудованный еще в начале двадцатых годов, и поныне сохраняет свой облик в первоначальном виде.

Что примечательного в последнем московском кабинете Сергея Ивановича? (Он находился в доме на Композиторской улице, бывшем Дурновском переулке, 1–6, потом 3, снесенном несколько лет назад в связи с постройкой Нового Арбата.)

Пожалуй, прежде всего — уютная теснота. Предметов немного, но так как Вавилов не любил больших комнат, предпочитал жить и работать в маленьких, то, кажется, тесновато и тут.

Заниматься здесь, конечно, было удобно. Все на виду и все близко. И все по-своему служило, либо чем-то прямо помогая, либо вдохновляя, или создавая мирное настроение. Превосходные картины на стенах: «Лютер» Кранаха, копия маслом «Папа Клемент VII» Рафаэля, гравюра, изображающая кабинет средневекового алхимика. Хрустальные вазы для цветов, подсвечники, статуэтки. Взоры многих останавливались, вероятно, на древней персидской чашечке с таинственными письменами и рисунками (ее привез Сергею Ивановичу старший брат) и на двух-трех кварцевых печатках из тех, что доставал Вавилов во время войны в комиссионных магазинах ради материала, нужного для опытов.

Особенно примечательна в кабинете библиотека. Книг в ней сейчас не так уж много. (Правда, до того, как огромную их часть Сергей Иванович раздарил библиотекам и отдельным людям, домашнее книгохранилище Вавиловых насчитывало почти 37 тысяч экземпляров.) Но какой удивительный подбор! Античная и новая классика, философия и естественные науки, поэзия и искусствоведение. Русские, немецкие, латинские, итальянские, английские и французские авторы стоят рядом. Вавилов читал и перечитывал — почти всех на родных языках римлянина Лукреция и англичанина Фарадея, американца Майкельсона и француза Перрена, итальянца Гримальди и немца Лессинга, русских ученых Ломоносова, Софью Ковалевскую, Попова, Лебедева, Лазарева, Крылова…

Сергей Иванович постоянно полемизировал и советовался со своими любимыми авторами. С кем-то воевал, в ком-то искал духовную поддержку. К иным книгам привязывался так, как в юности привязываются к друзьям. Например, к огромному фолианту Леонардо да Винчи, полученному во время войны. Бывало, ложась спать, президент Академии наук вполне по-детски клал эту книгу себе под подушку.

Сохранился и теперь любимый старинный книжный шкаф Вавилова, показывая на который Сергей Иванович часто говорил с улыбкой: «Вот — глубокоуважаемый шкаф».

После второй мировой войны Вавиловы жили летом в Мозжинке — академическом дачном поселке близ Звенигорода. В одной комнате на стене долго висела дюреровская «Меланхолия». Ничего не может быть уместнее для украшения квартиры ученого: ведь второй смысл картины — «наука». Однако Вавилов вдруг после некоторого колебания убрал Дюрера. Взамен появилась другая картина маслом — без названия и без автора: тяжелые облака, угол дома, два деревца за оградой и куда-то во мглу скачущий всадник… Глядя на нее, чувствуешь: тревожно, томительно — и хорошо. И все же картина эта, выдержанная в сумрачных тонах, кажется несколько неожиданной в доме ученого, который беззаветно любил свет и светлое во всем. Не так-то просто найти в истории науки другой пример такого же сильного и всестороннего проникновения ученого в свой предмет.

Занимаясь проблемами света, он глубоко заглядывает в историю и мифологию. Его внимание привлекает культ Солнца, установленный фараоном Аменхотепом IV в период его правления в Египте. Он поражается, что на изображениях той эпохи лучи Атона — солнечного диска — оканчиваются пальцами. Ученый выписывает в записную книжку, а потом и в книгу «Глаз и Солнце» слова древнефиванского гимна:

тут же поясняя, что под очами бога фиванцы подразумевали Солнце и Луну.

Вавилов сам переводит с латинского языка «Оптику» и «Лекции по оптике» Ньютона. Он изучает все, что сказали о свете Лукреций и Галилей, подробно комментирует их высказывания.

Не остаются в стороне поэты и прозаики. Вавилов прекрасно знает, что писали на его излюбленную тему Гёте и Пушкин, Тютчев и Фет.

Конечно, ему известны строки из воспоминаний Горького о Чехове, где говорится: «Я видел, как А. Чехов, сидя в саду у себя, ловил шляпой солнечный луч и пытался — совершенно безуспешно — надеть его на голову вместе со шляпой». Вавилов сопровождает эти слова комментарием: «Ловля света шляпой едва ли менее странна, чем солнечные руки Атона».

Сергей Иванович удивляется поступку Чехова, а между тем милые чудачества, связанные со светом, были и у самого Вавилова.

Свет, свет, свет!.. Он видел его во всем. Вот он — в бликах вазы на столе, в траве, в воздухе, в каких-то трубках с фосфорами, которые ученый приносил домой, в материалах, пропитанных люминесцирующими составами, тоже часто демонстрируемыми домашним.

Желание узнать возможно больше обо всем, так или иначе затрагивающем его специальность, приводит Вавилова и в область этимологии. Он отмечает с интересом в одной из своих работ, что «самое слово «луч» значит «стрела» и что «от того же корня лук — орудие и лук — стрельчатое растение».

Один из сотрудников Академии наук, профессор Н. И. Идельсон, так выразился об этой стороне вавиловской натуры:

«Думается нам, что только высокая культура Сергея Ивановича Вавилова — философская, научная, историческая и даже филологическая — могла дать ему возможность и в истории науки, и в ее предыстории черпать эти ясные и глубокие образы, вершины творчества бесконечно далеких от нас поколений».

Глава 3. Холодный свет

Был октябрь 1922 года. Ежась от холодного, пронизывающего ветра Приморья, торопливо грузились на морские транспорты и отплывали от берегов России остатки белой армии. Их сопровождали последние неудачливые интервенты — японцы. Когда несколько часов спустя передовые части Народно-революционной армии Дальневосточной республики вступили во Владивосток, то они увидели лишь слабые дымки на горизонте за мутными водами Татарского пролива.

Весть об освобождении последней пяди советской земли от белогвардейцев и интервентов пришла в институт во время очередной ежесубботней научной конференции. П. П. Лазарев аккуратно в три часа, как всегда, открыл конференцию и начал с того, что поздравил сотрудников и гостей с окончанием гражданской войны.

Потом он говорил о задачах физиков в условиях восстановления народного хозяйства. Он призывал их перекинуть мостики между теорией и жизнью.

— Прошли времена, — говорил Петр Петрович, — когда физики работали больше для «чистой» науки, чем для производства. Мы все должны подумать — каждый в своей области, — что можно сделать, чтобы внести собственный вклад в восстановление народного хозяйства.

Особо он выделял задачу электрификации. В далекой перспективе решение ее не ограничивается планом ГОЭЛРО, говорил Лазарев, хотя сейчас нет ничего важнее этого плана. А пути к этой дальней перспективе прокладывают физики. Они видят то, чего не видят инженеры и хозяйственники. Физики должны развернуть перед ними великолепные горизонты энергетики завтрашнего дня.

В заключение директор института напомнил лишний раз о проблеме экономичности. Образно говоря, заметил он, это лифт, облегчающий дорогу к верхним этажам грядущего. При царе проблема бережного использования ресурсов не была в почете. Энергетические запасы государства глупо истреблялись. Сейчас это недопустимо. Когда страна стремится к революционным преобразованиям промышленности и быта, нельзя позволить больше безумную роскошь расточительства. Экономичность выдвигается на первый план, потому что надо много сделать. Физики могут помочь и в этом.

…Конференция окончилась, и все стали шумно расходиться. Вавилов направился домой не сразу. Перед уходом он заглянул в лабораторию, чтобы проверить, все ли там выключено, все ли заперто, чему полагается быть запертым. В комнате на первом этаже, где он работал вместе с Лёвшиным, он все проверил, все прибрал. В те времена физики работали без механиков и лаборантов: каждый сам — до профессора включительно — вытачивал на станке нужные ему детали, сам мастерил свои приборы и убирал за собою рабочее место.

Сергей Иванович оделся и вышел из здания института. Когда он шел по улице, запорошенной первым снегом, то думал о грандиозных планах всеобщего технического прогресса. Созданы благоприятные условия для развития всех разделов физики не только в сторону теории, но и в направлении жизни, техники. Может быть, настало время и для люминесценции? Не пора ли заявить о ней, о ее возможностях?

Почему Вавилов думал об этом явлении?

Пытливо всматриваясь в пятнышки света на своих установках, молодой физик разглядел в них не только дотоле незримые кванты света, но, кажется, и что-то еще. Пути к познанию таинственной люминесценции.

Термин «люминесценция» (буквально — очень слабое свечение) был введен в науку в 1889 году немецким физиком Айлхардом Эрнстом Видеманом. Им стали обозначать самосвечение тел, излучение видимого света без нагрева источника, холодное свечение.

Не так давно в самом таком определении таилось нечто парадоксальное, непостижимое. Ведь для людей тепло и свет всегда сопутствуют одно другому. Солнечные лучи греют и даже обжигают. Молния зажигает лес. Пышет жаром пламя костра. Древние говорили, что свет — нечто вроде разреженного огня, а огонь — сгущенный свет.

Вплоть до самого XX столетия все без исключения искусственные источники света — свечи, спички, керосиновые и электрические лампы и так далее — были горячими.

Между тем природа не уставала напоминать, что есть и иные источники света, кроме тепловых.

В траве светятся светлячки, и «фонарики» их вовсе не горячие. Они преобразуют в свет химическую энергию своего организма. Существует около двух тысяч видов светящихся жуков, много видов светящихся комаров. В глубоких недрах океанов живут рыбы с парой ярких «фонарей», расположенных под глазами или около рта; это излучают свет колонии особых, живущих на теле рыб, светящихся бактерий. В Охотском, Черном и Средиземном морях и особенно в Калифорнийском заливе Тихого океана очарованные пассажиры кораблей любуются по ночам свечением бесчисленных медуз.

Когда — уже после смерти Вавилова, 23 января 1960 года, — француз Жак Пикар и американец Дон Уолш опускались в батискафе «Триест» на дно глубочайшей в океане Марианской впадины, то им казалось, что их окружает подобие ночного неба. Морская глубь была усеяна белыми и зеленоватыми звездами. То были странные глубоководные «иллюминированные» рыбы.

Люминесценция насекомых и рыб различается по силе и по окраске. Большинство организмов светится зеленым и голубым светом. Реже встречается лиловое свечение. Совсем редко — красноватое.

Самосвечение играет большую роль в органической природе. Живые существа пользуются им, чтобы приманить добычу, для защиты, сигнализации и освещения.

Иногда люминесценция сопровождает глубокие, интимные процессы в организмах. Например, при делении некоторых клеток возникают так называемые митогенетические лучи — коротковолновое ультрафиолетовое излучение.

Холодный свет испускается также хлорофиллом — веществом, необходимым для процесса фотосинтеза — образования при помощи солнечных лучей углеводов растений из углекислоты воздуха и из воды. Сами собою светятся в лесу гнилушки, по которым некогда искали клады. Кто не слышал о «блуждающих огоньках» — светящихся газах, выделяющихся из почвы при разложении органических отходов!

Самосвечение присуще некоторым минералам и другим веществам неорганической природы.

Словом, холодный свет — распространенное явление в природе, и люди знали о нем весьма давно. И всегда оно вызывало удивление, всегда казалось чем-то сказочным. Это очень непосредственно отражено в следующих словах знаменитой сказки Ершова, взятых С. И. Вавиловым эпиграфом к одной своей работе:

Огромное количество фактов и наблюдений, накопленных за столетия, не привело, однако, к решению самого, казалось бы, простого вопроса: «Что же такое люминесценция? Чем она отличается от других видов излучения?»

Может быть, холодное свечение почему-либо не привлекало внимания ученых?

Нет, это не так. Наоборот. Выдающиеся умы науки обращались к удивительному явлению природы, старались разгадать его.

Аристотель описывал люминесценцию гниющей рыбы. Китайские ученые знали самосветящиеся минералы более тысячи лет назад; пожалуй, свидетельства китайцев были первыми упоминаниями о люминофорах веществах холодного свечения. Четыре века назад, в 1555 году, в Цюрихе (Швейцария) вышла первая книга по люминесценции, написанная неким Конрадом Геснером. Чуть позднее, в 1570-м, испанский врач Никколо Монардес описал самосвечение вытяжки неизвестного дерева.

В начале XVII века разыгрался первый крупный скандал вокруг холодного свечения. Одну сторону спорящих возглавлял итальянский физик и философ Фортунио Ли-чети, другую — сам великий Галилео Галилей. Галилей назвал явление люминесценции «одним из величайших чудес природы». Курьезно, что виновником и главным подстрекателем спора был простой болонский башмачник Винченцо Кашьяроло (по другим транскрипциям — Каскариоло, Кашиорола), открывший, что если особым способом прокалить один сорт местного камня (болонский камень, тяжелый шпат), а затем положить его на солнце, то камень будет светиться сам собою ночью.

Личети выдвинул гипотезу о том, что так называемый пепельный свет Луны — слабое свечение земного спутника в то время, когда он погружается в тень, — и фосфоресценция болонского камня имеют одну и ту же природу. Галилей, добродушно высмеивая эту фантастическую гипотезу, писал:

«По правде, я допустил бы такую мысль, если бы меня не смущало различие в способе отдачи затерянного света Луной и камнем. Луна, удаляясь от середины конуса тени, начинает отдавать этот затерянный в ней свет много раньше, чем она выходит из тени и вновь начинает наслаждаться тем большим светом, которым прежде освещалась. Не так происходит дело с камнем, для коего достаточно при поглощении света лишь приближаться к этому большому свету. Нужно в течение значительного времени подвергать его освещению, заставлять впитывать свет и сохранять его затем в течение короткого времени в тени».

На протяжении последних трех веков загадку люминесценции пытались разрешить такие знаменитые ученые, как Роберт Бойль и Роберт Гук, Доменико Боттони и Исаак Ньютон, Леонард Эйлер и Хэмфри Дэви. Из трех поколений французских физиков — деда, отца и сына Беккерелей — двое занимались люминесценцией: отец Эдмон и сын Анри, тот самый, кто открыл явление радиоактивности.

Привлекала загадка холодного свечения и Михаила Васильевича Ломоносова. Однажды он написал: «Надо подумать о безвредном свете гниющих деревьев и светящихся червей. Затем надо написать, что свет и теплота не всегда взаимно связаны и потому различествуют». Но он считал, что зеленая люминесценция паров ртути в вакуумной трубке возникает так же, как и свет в эфире: под влиянием механических колебаний тел, в данном случае — капель ртути, встряхиваемых вместе с трубкой. Исходя из такой гипотезы, Ломоносов намеревался заставить гусли, колеблющиеся в пустоте, излучать свет.

«Нам ясно, конечно, что Ломоносов ошибался, — писал по этому поводу Сергей Иванович Вавилов. — Механические колебания струн или ртути слишком медленны, чтобы можно было в них искать возможную непосредственную причину светового излучения. Ртуть светится в вакууме при встряхивании вследствие электризации, возникающей при трении металлической ртути о стеклянные стенки трубки и последующих разрядных явлениях в парах ртути, сопровождающихся свечением. Однако весьма замечательна последовательность мысли Ломоносова, переходящей в эксперименте от звуковых колебаний в воздухе к световым колебаниям в эфире»[15].

Для полноты картины нельзя не упомянуть и об исследованиях Василия Владимировича Петрова. Замечательный русский физик, живший на рубеже XVIII и XIX веков, изучал свечение гниющих растений, животных организмов и минералов. Он сделал много ценных наблюдений и высказал ряд интересных мыслей. Вавилов уверял, что некоторые из работ Петрова не потеряли своего значения поныне.

Почему же возвращаемся к прежнему вопросу, несмотря на всю эту блестящую галерею выдающихся умов, занимавшихся вопросами люминесценции, ее разгадка до текущего столетия оставалась под семью замками?

Ответ прост: ученые прошлых веков располагали средствами одной лишь классической физики. Люминесценция же, как сейчас известно, — квантовое явление. Объяснить ее без знания квантовой теории невозможно.

Неудивительно, что, когда Вавилов всматривался в пятнышки света на своих установках, решая квантовые проблемы, он попутно за теми пятнышками разглядел и нечто большее: природу люминесценции.

Ведь с появлением квантовых представлений о структуре света сложилась и та основа, на которой можно было разрешить извечную тайну.

Глава 4. Холодный свет (окончание)

Раздумывая о люминесценции снова и снова, Вавилов рисовал перед собою не только теоретическую или историческую картину. Его занимала и практическая сторона.

— Люминесценция сегодня для науки пасынок, — говорил он себе. — В ее существенную практическую пользу никто не верит, и это расхолаживает исследователей, никто не хочет заниматься ею серьезно. А может быть, возможно доказать, что и она практически полезна? Дать тем самым люминесценции могучий жизненный импульс. Появится импульс — начнется исследовательский прогресс. Как было с технической оптикой и механикой, с электричеством и магнетизмом.

Какой же импульс «вытянет» люминесценцию?

— Прежде всего ее экономичность. Люминесценция — самый выгодный в природе способ преобразования различных форм энергии в свет. Ведь в этом случае нет потерь на тепло. Люминесцентные источники всегда холодные. Правда, все уверены, что в люминесценцию превращается совсем немного возбуждающей энергии. Поэтому холодный свет в природе большей частью слабый. Так что, мол, невыгодно добиваться практически целесообразных — достаточно больших — выходов люминесценции. Недешево обойдутся людям нормальные количества света при помощи холодного свечения, так что и возиться с изучением его нет расчета.

Но так ли это? Действительно ли в эксплуатации люминесценция не может дать ничего серьезного? Будем экспериментировать. Постараемся это доказать или опровергнуть.

Так родилась великая цель: изучить энергетику люминесценции с количественной стороны, иначе говоря, найти ее к.п.д. — коэффициент полезного действия. К.п.д люминесценции — это отношение энергии люминесцентного излучения (как говорят: вторичного излучения) к той поглощенной веществом энергии, которая вызывает люминесценцию.

Сергей Иванович называл сперва эту величину «удельной люминесценцией», однако после стал применять более точное выражение: «энергетический выход люминесценции».

В. Л. Левшин — в воспоминаниях о С. И. Вавилове: В 1924 году Вавилов ввел понятие «выход люминесценции». Эта величина характеризует эффективность превращения энергии возбуждения в свет, и, что особенно важно, Вавилов доказал, что такое преобразование может быть весьма эффективным. Этот вывод открыл люминесценции широкую дорогу в практику».

Большинство исследователей не имело раньше ни малейшего представления о численном значении этой величины. О холодном свете говорили просто: «яркий», «очень яркий», «слабый» и так далее. Те же, кто пытался получить численные значения, приходили к выводам, не располагавшим к оптимизму. Например, по Г. Гельмгольцу, к.п.д. люминесценции, образованный отношением энергии холодного свечения к той энергии ультрафиолетового света, которая его вызывала (при падении на водный раствор хинина), составляет всего ¹/₁₂₀₀! Видеман нашел много более высокий к.п.д. для фосфоресцирующей бальменовой светящейся краски: ¹/₂₂. Но и это не свидетельствовало об экономичности люминесценции (4,5 процента!).

Сергей Иванович разработал метод экспериментального определения энергетического выхода люминесценции. Это был тепловой метод.

Ученый предложил сравнивать между собою нагревание люминесцирующих и нелюминесцирующих растворов под влиянием одного и того же количества поглощенной ими световой энергии. Естественно, что в нелюмине-сцирующем растворе, где нет вторичного излучения (то есть люминесценции), вся световая энергия превращается в тепло. Не то в люминесцирующем растворе. Здесь некая доля первичной световой энергии превращается во вторичное излучение, расходуется на возбуждение люминесценции.

Теоретически рассуждая, светящийся раствор должен нагреваться при облучении меньше несветящегося. Сравнивая нагревания обоих веществ между собою, можно подсчитать энергетический выход люминесценции, то есть коэффициент полезного действия данного изучаемого явления.

Все казалось простым и осуществимым. Увы, простота была лишь в самой идее. Едва Вавилов попытался проверить новый метод на практике, он убедился, что это невероятно сложно. Температура облучаемых растворов поднималась незначительно. Тепловые же потери в окружающее пространство оказались весьма большими. При тех более чем скромных лабораторных возможностях, которыми в те времена располагали экспериментаторы, не могло быть и речи о точных измерениях.

Что же оставалось делать? Отказаться от намеченной цели? Подождать, пока лабораторная техника подтянется до требуемого уровня?

На это, разумеется, Сергей Иванович пойти не мог. Неудачи лишь раззадоривали его, порождали утроенное рвение в решении проблемы.

В борьбе с обстоятельствами, мешающими исследованиям, ученый всегда выходил победителем. И не было у Вавилова неудач, которые в конечном счете не стали бы ступенью к открытию, ценному для науки. Порой при этом рождался новый метод исследования, порой добывались ранее неизвестные важные сведения.

Если пока нет прямого пути к раскрытию энергетики люминесценции, значит, надо поискать путей окольных. Не может быть, чтобы разница в выходе люминесценции не проявила себя в чем-нибудь еще, кроме разницы в нагреве светящихся и несветящихся растворов. Наряду с абсолютным, тепловым методом определения к.п.д. люминесценции должен существовать и какой-то другой — косвенный, относительный метод. Какой же именно?

Может быть, Сергей Иванович думал и не так, как здесь написано. Но смысл его рассуждений, когда он искал доступных способов количественной оценки холодного свечения, вероятно, сводился к этому. Во всяком случае, одновременно с тепловым методом Вавилов разрабатывал другой остроумный метод, где абсолютные измерения были заменены относительными.

Уже в 1924 году он смог опубликовать работу под названием «Выход флуоресценции растворов красителей», где впервые привел опытные данные о к.п.д. люминесценции различных веществ.

В чем же суть относительного спектрофотометрического метода Вавилова по определению энергетического выхода люминесценции?

Сердцем экспериментальной установки был чрезвычайно распространенный в те годы спектрофотометр Кёнига — Мартенса — прибор для измерения силы света, световых потоков и некоторых других свойств света. Экспериментатор располагал друг подле друга две поверхности: одну — белую, матовую, рассеивающую почти весь свет, падающий на нее, и другую — поверхность прозрачной плоской кюветы, в которую наливалась исследуемая флуоресцирующая жидкость. Затем они обе подвергались одинаковому облучению.

Поверхности тотчас начинали светиться. Однако природа этого свечения, как легко понять, была различной. Матовая пластинка просто отражала падающий на нее свет. Из кюветы же в фотометр струился свет люминесценции. Если бы в сосудик наливалась жидкость, не обладающая свойством холодного свечения, вторая поверхность ничего не излучала бы. В другой, идеальной крайности весь возбуждающий свет превратился бы во вторичное излучение, и поверхность стала бы светиться с предельной интенсивностью.

Учтя различие законов рассеянного отражения света и света люминесценции (чего не делали предшественники Вавилова — Роберт Вуд и Дюнуайте, проводившие похожие по идее опыты), Сергей Иванович получил более или менее точные значения выходов люминесценции. Он исследовал десять разных красителей, растворенных в воде или в спиртах. Одиннадцатым источником холодного свечения у него служило урановое стекло.

Результаты опытов были ошеломляющими. Типичные люминесцирующие вещества — растворы флуоресценции — показали выход люминесценции от 66 до 80 процентов! Не тысячные и не сотые доли энергии падающего света, а в отдельных случаях — четыре пятых превращалось в холодное излучение!

Свечение люминесценции для некоторых веществ оказывалось главным, а вовсе не побочным процессом.

Это было как бы вторым рождением люминесценции, рождением ее для практики. Ведь открывался новый способ несложного, но эффективного преобразования лучистой (иначе говоря — электромагнитной) энергии в свет.

— Открытие Вавилова коренным образом меняет наши представления о роли явления люминесценции, — заявил глава ленинградских физических оптиков Д. С. Рождественский на IV съезде русских физиков в 1924 году, познакомившись с работой московского коллектива. — Мы должны изменить прежнее пренебрежительное отношение к ее практическим возможностям.

Кроме термина «энергетический выход люминесценции», часто также пользуются другим: «квантовый выход люминесценции», понимая под этим отношение количества излученных веществом квантов люминесценции к количеству поглощенных квантов возбуждающего света, вызывающих свечение.

Выход люминесценции давно в честь Сергея Ивановича Вавилова обозначают буквой «В».

Двадцать пять лет количественные значения выходов люминесценции, полученные Сергеем Ивановичем, были, по существу, единственными и признавались как эталоны во всем мире. Лишь в 1949 году они были проверены более точным, разработанным опять-таки еще Вавиловым, тепловым методом. Произвел проверку один из учеников Сергея Ивановича — Михаил Николаевич Аленцев.

С помощью усовершенствованной аппаратуры Аленцев поставил опыты по программе своего учителя, так долго остававшейся чисто теоретической. Это, как мы только что сказали, был тепловой метод: сравнение нагревов люминесцирующих и нелюминесцирующих растворов. Позднее тем же методом венгерский физик Бодо определил выходы люминесценции для некоторых кристаллофоров — светящихся кристаллов.

Потом и другие оптики аналогичным образом находили к.п.д. самосвечения различных растворов и твердых тел.

Поразительным результатом этих опытов было то, что, когда их объектом служило вещество, исследованное на выход люминесценции в 1924 году, всегда подтверждались данные Вавилова. Значения, полученные на скромном оборудовании Института физики и биофизики, оказались правильными. Искусство экспериментатора восполнило несовершенство оборудования.

Итак, показав, что возможны преобразования энергии в холодное свечение с высокими к.п.д., Вавилов доказал практическую ценность люминесценции. И это было весьма крупным достижением физика, не забывающего жизни. Получил ли сам исследователь глубокое удовлетворение от успеха своей работы?

Кажется, нет.

Конечно, Сергей Иванович прекрасно понимал, как много может дать народному хозяйству управляемое холодное свечение. Но неугомонный фаустовский дух исканий не позволял долго наслаждаться радостями победы. Он звал ученого все дальше. При каждом новом своем открытии Сергей Иванович непременно вспоминал слова Ньютона, сказанные о своих работах: «Мне кажется, что я был только ребенком, игравшим на берегу моря и находившим то гладкий камень, то красивую раковину, тогда как необъятный океан непознанной истины простирался передо мною».

Установив на опыте количественную энергетическую характеристику некоторых люминесцирующих веществ, Сергей Иванович еще глубже задумывался над природой холодного свечения.

Верный своей привычке — все, что можно, переводить на язык наглядности, Вавилов нашел удачный образ для сравнения между собою теплового и люминесцентного источника света. Впоследствии он не раз пользовался этим образом. Он сравнил различные источники света с толпой. Обычный тепловой источник — это беспорядочная, неорганизованная толпа. Все мечутся кто куда. В хаотической толкотне бесцельно пропадает много энергии на взаимные столкновения. Другой вид толпы — толпа организованная. Люди шагают целеустремленно, военным строем. Уж тут энергия зря не пропадает. Все идет на поступательное движение. Хороший аналог люминесцентной лампы, экономической лампы будущего.

Но это только образ. Это не объяснение для физики.

— Все же мы не знаем о люминесценции основного, — признавался однажды Сергей Иванович своему товарищу по работе. — Мы до сих пор не в состоянии четко сформулировать, что она такое, чем отличается от других видов излучения и каковы ее свойства. Квантовый подход помогает понять многое, но не все.

В комнате было тесно. Едва сделав три-четыре шага, ученый поворачивал обратно. Был перерыв в работе, который физики использовали обычно, чтобы выпить чаю и поговорить на разные темы. Погруженный в мысли, прямой, с офицерской выправкой, он ходил по лабораторной комнате своим небольшим энергичным шагом, не глядя по сторонам.

— Да, — сказал Левшин после небольшого молчания. — Природа люминесценции до конца не выяснена. Все же мы знаем о ней гораздо больше, чем это было в доквантовую эпоху. Теория световых квантов помогла нам понять многое.

Вавилов повернулся лицом к собеседнику. Теперь Вадим Леонидович видел хорошо знакомый высокий лоб и большие задумчивые глаза. Темно-карие, почти черные, они были явно унаследованы от матери. Лишенные блеска, они светились глубоким внутренним светом.

— Это, конечно, так, — согласился Сергей Иванович. — Но верно и другое. Если б люминесценция получила развитие до открытия Планка, то, возможно, раньше были бы сформулированы и основы квантовой теории. Пути к открытию квантовых особенностей в области люминесценции гораздо более просты и прямы, чем те, которыми шел Макс Планк в области сложного температурного излучения.

Сейчас наша цель — взять все, что можно, и из практической люминесценции, и из достижений квантовой теории. Одна пусть питает другую. В явлениях люминесценции немало ценного для иллюстрации теории световых квантов. А успехи, достигнутые наукой в понимании природы света и строения вещества, должны нам дать возможность понять природу холодного свечения.

Это была программа новых больших исследований, и скоро она стала выполняться.

Глава 5. Три ступени тайны

Левшин — в воспоминаниях о С. И. Вавилове: «Вавилов впервые в Советском Союзе начал систематические исследования люминесценции, считавшейся загадочным явлением. Одни считали ее результатом химического процесса, другие относили к числу резонансных явлений.

В 1920 году Сергей Иванович предложил мне провести некоторые совместные исследования.

В первой работе мы подтвердили только что открытое явление поляризации люминесценции и установили основные закономерности этого явления. Гипотеза химической природы люминесценции отпала.

Вторая работа касалась природы длительного свечения органических веществ. В то время считалось, что длительность свечения возрастает вместе с увеличением вязкости среды. Мы показали, что повышение такой вязкости не имеет никакого значения.

С помощью специально построенной аппаратуры нам удалось показать, что в жестких средах возникает отдельное — особо длительное свечение, связанное с особенно устойчивыми возбужденными состояниями молекул, сохранившимися главным образом в твердых средах».

«Мы подтвердили только что открытое явление поляризации люминесценции…» Что это за явление?

Начнем с наглядного примера, пусть грубого, но все же помогающего понять сущность поляризации.

Возьмитесь за свободный конец веревки, привязанной к стене, и с силой взмахните рукою сначала сверху вниз, затем справа налево. Веревка станет извиваться, как ползущая змея. Физики скажут: «Она колеблется в двух взаимно перпендикулярных направлениях».

А теперь представьте, что путь «змеи» лежит сквозь створки раздвигающейся двери типа той, что применяется в вагонах метрополитена и дачных поездов. Пока эти створки не касаются веревки, она продолжает извиваться как прежде. Но стоит только двери превратиться в щель, как характер колебаний изменится. Вращающаяся по спирали волна добежит до створок и за ними превратится в плоскую волну. «Змея» проползет сквозь щель, но дальше будет извиваться только в вертикальной плоскости.

Волна, обегающая по спирали вокруг веревки, не имеет ярко выраженных крайностей — полюсов. Ведь ее любое положение похоже на все другие. Это неполяризованная волна. Волна за узкой щелью имеет крайности — полюсы. Она поляризованная волна. Сжимая и разжимая створки двери, мы можем придавать свободной — неполяризованной — волне ту или иную степень поляризации: от нуля до ста процентов.

Таким образом, луч света (и вообще всякая электромагнитная волна) может пребывать в поляризованном, неполяризованном и частично поляризованном состоянии.

Нечто напоминающее вышеописанную картину происходит с пучком света, взаимодействующим с веществом.

Так называемый элементарный излучатель — колеблющаяся молекула — обычно испускает свет поляризованный; подобно маятнику часов, она колеблется в одной плоскости. В той же плоскости изменяется и электрическое поле, воспринимаемое нами как свет. Но раскаленные молекулы и атомы горячих источников света — Солнца, лампы и другие — обычно расположены хаотически. Они колеблются в различных направлениях, и их суммарный свет всегда неполяризованный.

Однако так бывает лишь до тех пор, пока световой пучок не вступит во взаимодействие с веществом. Отразившись от зеркальной поверхности, свет поляризуется. То же обнаруживается и при прохождении электромагнитных волн через специальные поляризующие среды. В других случаях степень поляризации может быть не стопроцентной, а какой-нибудь иной, меньшей. Возможно и сохранение прежней неполяризации, например, при отражении света от очень шероховатой поверхности.

Велико различие пучка света, взаимодействующего с веществом, и веревки — «змеи», «проползающей» через щель. Но есть между ними и нечто общее: «преодолев препятствие», они сохраняют его след. По тому, как изменяются колебания веревки, можно вывести заключение о размере щели, через которую она проходит. По степени поляризации света при взаимодействии его с веществом можно судить о некоторых особенностях в строении молекул и в механизме поглощения и испускания света.

Впрочем, последнее обстоятельство было установлено не сразу: его открыли только в результате длинной серии работ.

Когда Вавилов вместе с Лёвшиным в 1921 году впервые занялись изучением поляризации люминесценции, они для начала решили проверить самый факт: а существует ли поляризация люминесценции? И сразу обнаружили, что существует. У ярко люминесцирующих водных растворов флуоресцина свечение не поляризовано, у слабо же светящихся красителей поляризация наблюдалась.

Летом 1922 года появилась статья немецкого физика Ф. Шмидта, в которой указывалось на важное значение для возникновения поляризации люминесценции большой вязкости растворителя. Сообщение Шмидта вызвало живой интерес у двух московских оптиков, и они стали производить тщательное исследование явления в вязких растворителях.

В результате Вавилов и Левшин выявили количественную связь между вязкостью растворителя и степенью поляризации свечения раствора. Они установили, что у различных люминесцирующих веществ существует почти одна и та же предельная поляризация свечения: 35–40 процентов.

В 1924 году Лёвшин открыл существование зависимости между степенью поляризации и длиною волны возбуждающего света. Это именно обстоятельство и указывало на связь поляризации с природой самой излучающей молекулы. Вавилов тщательно исследовал это явление.

Перед физиками раскрылась заманчивая перспектива — изучать тончайшую структуру вещества по степени поляризации света при взаимодействии его с молекулами. Впоследствии этот метод получил чрезвычайно широкое распространение.

Однажды сотрудник института нечаянно рассыпал пакетик с леденцами-петушками, купленными для детей.

— Дайте-ка один, — попросил Сергей Иванович, когда конфеты были собраны. — Этот краситель нами еще не проверялся.

Когда леденец был подвергнут облучению, все вдруг с удивлением увидели, что он засиял, как звезда во лбу Василисы Прекрасной. Опытные люминесценщики не встречали ничего подобного.

Петушки, правда, светились недолго, для продолжительных люминесцентных исследований оказались малопригодными. Но толчок был дан. Вадим Леонидович научился изготовлять «леденцы что надо»! Постепенно увеличивая вязкость сахарных растворов, чтобы удлинить свечение, Лёвшин добился того, что получил исключительно эффектные люминесцирующие составы.

С той поры сахарные фосфоры («леденцы») московских оптиков были признаны во всем мире одним из самых интересных объектов для исследования на холодное свечение.

Ценою неустанных поисков Вавилову и его сотрудникам удалось наконец понять физическую сущность холодного свечения. Под совсем еще недавно непонятное явление природы была, как говорят, подведена прочная научная основа. Один из учеников Д. С. Рождественского, выдающийся фотохимик, впоследствии академик, Александр Николаевич Теренин, с достаточным основанием сказал:

«Исследования Сергея Ивановича и его школы по люминесценции определили в значительной мере развитие мировой науки в этой области, занимая в ней ведущее место».

Исходя из основных положений квантовой механики, стастической физики и термодинамики, Вавилов выяснил то главное, что отличает люминесценцию от других явлений. Оказалось, что это главное представлено тремя особенностями: редкостью люминесценции, длительностью свечения, наличием особого закона цветового (спектрального) преобразования.

Первая особенность не нуждается в пояснении.

«Бесспорно, что «холодный свет» может появляться только за счет поглощенной первичной энергии, — писал Вавилов, — иначе нарушался бы основной закон природы — сохранение энергии. Неверно, однако, обратное: не всякое поглощающее свет вещество дает люминесценцию. Например, обычные чернила, черные или красные, очень сильно поглощают свет, но не дают вторичного свечения, в то время как растворы красителей флуоресцина, родамина и других прекрасно светятся».

«Холодный свет», — продолжает дальше физик, — явление редкое, избирательное; легче найти нелюминесцирующее тело, чем тело, светящееся холодным светом. В этом состоит важнейшая его особенность»[16].

Однако сама по себе редкость явления, естественно, еще не определяет его особенностей. Определяющим свойством люминесценции Вавилов, а за ним и другие физики считали ее длительность.

Вот отражает свет зеркальная поверхность, вот рассеивает его мутная среда… Можно привести множество примеров свечения, имеющего то внешнее сходство с люминесценцией, что оно тоже холодное. И все же это не называют люминесценцией.

Почему?

Потому что здесь первичное (возбуждающее) и вторичное излучения практически не разделены во времени. Перестает действовать причина, вызывающая свечение тела, — исчезает и само свечение. Свечение здесь задерживается после прекращения возбуждения лишь на продолжительность светового колебания, то есть примерно на одну миллион-миллиардную долю секунды.

Совсем иное люминесценция. Для люминесцирующих тел характерно так называемое «послесвечение». Причина, вызывающая свечение, устраняется, а тело светится само собой.

В отличие от двухступенчатого процесса отражения или рассеивания света здесь трехступенчатый процесс: молекула поглощает квант падающего света, пребывает в возбужденном состоянии некоторое время, соответствующее длительности люминесценции, затем испускает квант излучения и возвращается в нормальное, невозбужденное состояние. Не в пример другим оптическим явлениям, где свет не прекращает своего существования, при люминесценции он исчезает, затем рождается вновь, причем в ином обычно качестве;

Таким образом, три ступени холодного свечения располагаются в следующей последовательности:

1) поглощение квантов возбуждающего света люминесцирующим веществом (люминофором) и переход частиц последнего из основного (невозбужденного) состояния в возбужденное, то есть более богатое энергией;

2) пребывание частиц люминофора некоторое время в возбужденном состоянии;

3) возвращение люминофора в основное состояние с испусканием квантов люминесценции.

Иллюстрируя разницу между люминесцентным и нелюминесцентным холодным излучением, можно привести такой пример. Некое вещество, скажем сернистый цинк, испускает два вида световых лучей: рассеянный свет — результат отражения падающих на него лучей — и собственное свечение. Оба вида лучей одинаково холодные. А в то же время они по своей природе глубоко различны.

В люминесценции — и только в люминесценции! — поглощение и испускание света происходят в двух отдельных актах, разделенных во времени.

С. И. Вавилов показал, что наименьшая длительность холодного свечения люминесценции составляет от одной стомиллионной до одной миллиардной доли секунды. Для неспециалиста это исчезающе ничтожно. Но в мире квантовых явлений миллиардная доля секунды — огромная величина. Она в миллион раз больше продолжительности светового колебания.

Сейчас повсеместно признается следующее простое определение люминесценции, предложенное Вавиловым на Втором совещании по люминесценции в 1944 году:

«Будем называть люминесценцией избыток над температурным излучением тела в том случае, если это избыточное излучение обладает конечной длительностью примерно от 10^-10 секунд и больше».

Минимум: одна десятимиллиардная секунды. Ну а максимум? Сколько времени может продолжаться процесс самосвечения?

Зависит от того, к какому именно виду люминесценции относится явление, если воспользоваться классификацией, разработанной опять-таки Вавиловым.

Все явления люминесценции, по Вавилову, делятся на три вида: спонтанная (то есть самопроизвольная), вынужденная и рекомбинационная.

В первом случае акты поглощения и испускания света разделены только временем пребывания атома или молекулы в возбужденном состоянии.

Во втором случае микросистема, поглотившая квант света, переходит из возбужденного состояния в некоторое промежуточное. Чтобы осуществить люминесценцию в данном случае, нужна дополнительная энергия, как говорят — энергия активации. Что ее может дать? Хотя бы собственное тепло тела. Чем выше температура тела, тем значительнее энергия активации. Естественное следствие отсюда — большая зависимость длительности люминесценции от температуры. Когда температура низка, эта длительность может быть очень большой.

Третий вид — рекомбинационное свечение — тоже длительное свечение, и оно, подобно вынужденному, за-, висит от температуры. От второго вида люминесценции это, третье, отличается лишь своим внутренним механизмом. Поскольку он довольно сложен и для нашей книги первостепенного интереса не представляет, мы не будем останавливаться на его описании.

Так вот, послесвечение спонтанной люминесценции длится до 10^-2 — одной сотой секунды.

Прочие два вида связаны со временем гораздо большим: есть тела, которые светятся после прекращения облучения часы, недели и даже годы.

Все время мы говорили о люминесценции, вызванной одной причиной: светом, его падением на поглощающее вещество. Физики, уточняя такой процесс, называют его фотолюминесценцией.

Но есть и другие способы возбуждения холодного свечения: рентгеновскими лучами (рентгенолюминесценция), механическим дроблением кристаллов (триболюминесценция), химическими процессами (хемилюминесценция), химическими же процессами, но в живых организмах (биолюминесценция), нагреванием в пламени (кандолюминесценция) и так далее.

Любопытно, что в простейших случаях различные способы возбуждения молекул вызывали один и тот же эффект. Вавилов брал, например, кристаллы урановой соли и обрабатывал их разными способами, чтобы вызвать самосвечение: дробил молотком, облучал ультрафиолетовыми лучами, помещал их в поток электронов.

И во всех случаях результат был один.

Кристаллы светились независимо от их обработки одним и тем же цветом.