Сергей Вавилов

Глава 1. В Берлине

В то время когда Вавилов при помощи теории квантов настойчиво искал разгадку тайны люминесценции, из-за рубежа начали поступать сообщения о новых поразительных открытиях в области мельчайших частиц материи. Сама квантовая теория с ее многочисленными затруднениями стала быстро поглощаться новым физическим учением, гораздо более широким и совершенным, — так называемой волновой, или квантовой, механикой.

О том, что потребность в ревизии старой теории назрела, свидетельствует тот любопытный факт, что первые квантовомеханические идеи появились почти одновременно сразу в трех странах: Франции, Германии и Англии.

Во всем были различны люди, заложившие фундамент нового раздела физики: французский аристократ, выходец из королевского дома Бурбонов Луи де Бройль; сын профессора истории церкви, юный геттингенский теоретик Вернер Гейзенберг; сорокалетний профессор университета в Цюрихе и Бреслау Эрвин Шредингер; долговязый сверстник Гейзенберга, сын швейцарца и англичанки Поль Адриен Дирак… Различны были и их подходы к теоретическим вопросам.

Но результаты их исследований удивительно совпадали между собою, освещали с разных сторон одну и ту же истину.

Первый шаг в новом направлении сделал Луи де Бройль (1924). В своей диссертации, выполненной под руководством знаменитого парижского физика-теоретика

Поля Ланжевена, де Бройль высказал невероятно смелое предположение о том, что каждый движущийся электрон сопровождается своеобразной волной — «волной де Бройля», — определяющей многие особенности его поведения.

Предполагалось, что эта волна существенно отличается от световой, иначе говоря — электромагнитной. И все же между частицей света — фотоном — и частицей вещества — электроном — по гипотезе де Бройля существует нечто общее: обеим им присуща своеобразная двойственность. Выходило, что материя в любом ее виде, то есть в виде ли вещества или в виде света, одновременно обладает свойствами и волны и частицы.

Французский физик оказался прав. Это подтвердили год-два спустя немецкие физики Вернер Гейзенберг и Эрвин Шредингер. Следуя в формально-математическом отношении совсем иными путями, они пришли к тем же выводам, что и их парижский коллега.

А еще двумя годами позже, в 1928 году, 26-летний Поль Дирак установил, что между светом и веществом общего даже больше, чем это следовало из теории де Бройля — Гейзенберга — Шредингера.

— Дирак пришел к теоретическому выводу, что при некоторых условиях свет может превращаться в вещество и обратно, — рассказывал потом Сергей Иванович на лекции своим студентам. — В сильном электрическом поле световые кванты с длиной волны не больше одной тысячной миллимикрона, по Дираку, могут распадаться на две противоположно заряженные частицы: электрон и позитрон. Это было весьма удивительным теоретическим предсказанием, но оно все же полностью подтвердилось на опыте. Превращение света в вещество доказано экспериментально.

— Мне это кажется такой же бессмыслицей, как если бы кто-нибудь сказал, что звук может превращаться в музыкальный инструмент, например в скрипку, — призналась одна студентка в перерыве.

— Что ж, образ убедительный, — улыбнулся Сергей Иванович. — И хорошо подчеркивает особенность микромира. В нашем мире это невозможно, а на уровне фотонов и электронов — обычное явление.

Идеи квантовой механики вторгались в сознание физиков разных стран как нечто в высшей степени странное и неожиданное.

Чувства физиков отлично выразил впоследствии известный немецкий ученый Паскуаль Йордан:

«Каждый был полон такого напряжения, что почти захватывало дыхание. Лед был сломан… Становилось все более и более ясным, что мы натолкнулись на совершенно новую и глубоко запрятанную область тайн природы. Стало очевидным, что для разрешения противоречий потребуются совершенно новые методы мышления, находящиеся за пределами прежних физических представлений».

Советские физики с неослабным вниманием следили за тем, что происходит в университетах и в физических кружках Запада. Росла потребность в обмене научной информацией, и Советское правительство посылало за рубеж наиболее талантливых представителей науки. Они вливались в мировую семью ученых и не только перенимали идеи у своих западных коллег, но и сами все чаще публиковали результаты своих исследований на страницах немецких, английских и французских журналов.

В январе 1926 года получил от Московского университета заграничную полугодовую научную командировку и Сергей Иванович Вавилов.

Вавилов мог выбрать место поездки, и он выбрал Берлинский университет. В то время там работал известный специалист по люминесценции профессор Пауль Прингсгейм. Кроме того, в центральном высшем учебном заведении столицы Германии особенно глубоко и критически разбирались идеи Луи де Бройля и других апологетов нового учения.

С первыми работами французского ученого Вавилов познакомился еще в Москве. До выезда в Берлин советский физик знал и об идеях Гейзенберга. В период же пребывания Сергея Ивановича в Берлинском университете в физике произошли новые крупные события. Появилось более законченное математическое изложение волновой механики, разработанное Шредингером. Одновременно были опубликованы новые работы Гейзенберга в соавторстве с двумя исследователями, один из которых был его учитель — геттингенский корифей Макс Борн, а другой — его ученик, студент Паскуаль Йордан. Именно в этих работах возвещалось создание их авторами квантовой механики.

Вначале казалось, что идеи Гейзенберга отличаются от идей Шредингера. Но в том же 1926 году Шредингер доказал, что они выражают полностью одно и то же. Не противоречили их идеям и выводы де Бройля.

Вавилов принимал активное участие в обсуждении работ по новой, квантовой механике, проводившемся на интереснейших коллоквиумах в Берлинском университете,

Коллоквиумами руководил крупнейший немецкий физик, основатель рентгеноструктурного анализа, нобелевский лауреат Макс фон Лауэ. В собеседованиях принимали участие и другие выдающиеся ученые.

Не все еще было ясно в новом направлении физической науки. Но все ощущали, что найден новый могучий метод решения сложнейших задач теории.

Когда же разбиралось ставшее потом знаменитым основное уравнение волновой механики Э. Шредингера, участники коллоквиума пришли почти к единодушному мнению, что перед ними математическое выражение закона, который в атомной физике играет такую же фундаментальную роль, как законы движения Ньютона в классической механике.

Можно понять чувства одного участника, процитировавшего, показывая на написанное мелом на доске уравнение Шредингера, слова из «Фауста»:

Именно тогда стало складываться (чтобы позднее утвердиться окончательно) представление о мельчайших зернах материи как о частицах, не похожих ни на что решительно, с чем мы сталкиваемся в повседневной жизни: ни на обычную частицу, ни на обычную волну, ни на бильярдный шар, ни на гирьку, подвешенную на пружине. Они только друг на друга похожи, неважно, идет ли речь о частице света — фотоне или о другом атомном объекте вроде электрона, протона и так далее. Квантовое поведение всех таких объектов одинаково, и в конце концов их все стали называть «волнами-частицами» или «частицами-волнами». И все, что узнавали о какой-то одной частице, например электроне, спокойно применяли к любой другой, например к фотону.

С возникновением квантовомеханических идей физики стали пересматривать многие явления природы, изучением которых занимались с позиций квантовой механики. Хотелось знать, что могут дать новые идеи для прояснения туманных мест различных областей физической теории. И узнавали! И двигали свою науку на новые, на более высокие рубежи.

Стремился к этому и Вавилов. Открытие более глубоких взаимосвязей между светом и веществом привлекало его пристальное внимание. В частности, он стал искать путей применения последних достижений квантовой механики к люминесценции.

Сергей Иванович работал и в Берлине много и напряженно. Проснувшись рано утром, он наскоро выпивал чашку кофе и спешил на Унтер-ден-Линден, в самый центр города, где находился университет. До начала занятий в конторах и учебных заведениях было еще далеко, и на улицах преобладали женщины с хозяйственными сумками. Они толпились у продовольственных магазинов и громко перекликались друг с другом, хотя бы стояли рядом. Даже в темпераментной Италии женщины говорили тише, если не ругались.

В тумане раннего утра постепенно вырисовывалась решетка университетского сада. Швейцар, старый пруссак с пышными, закрученными вверх усами, почтительно приветствовал прибывшего и неизменно с деланным удивлением восклицал:

— Так рано, а вы уже на ногах, герр профессор! Мы называли это время «часом кайзера». До войны на рассвете здесь ежедневно совершал верховую прогулку кайзер. Он любил побыть на воздухе один.

Вавилов проходил в отведенную ему для занятий комнату и перебирал свои записки и книги, обдумывая план работы на день.

Жизнь в Берлине для Сергея Ивановича была нелегкой во многих отношениях. Работу затрудняло плохое состояние здоровья — первое последствие перенапряжения минувших лет. Обзаведясь семьей, Вавилов сильно скучал по дому. Не сразу удалось и привыкнуть к чужой лаборатории, к незнакомой обстановке. Одно дело — путешествовать за рубежом, другое — там работать, стараясь за сравнительно короткое время выполнить большое научное исследование.

Однажды по оплошности командированный ученый пережег электромагнит, изготовленный самим Германом Гельмгольцем. Когда потом Сергей Иванович рассказывал об этом своим ученикам и те сопровождали рассказ чересчур веселыми комментариями, Вавилов сердился не на шутку.

— Ничего смешного тут нет, — говорил он. — Это реликвия. Посмотрел бы я на вас, как бы вы себя чувствовали, если б сами пережгли. Я все-таки его аккуратно заново перемотал. Очень, доложу вам, неудобно было.

Явление поляризации люминесценции было главным объектом исследований Вавилова и в лаборатории Прингсгейма. Исследованию подвергались сахарные фосфоры, молекулы которых, как мы помним, обладали свойством длительного свечения. Название работы, порученной Вавилову Прингсгеймом и успешно выполненной советским оптиком, было: «Поляризованная и неполяризованная фосфоресценция твердых растворов красителей»[17].

Изучая в лаборатории Прингсгейма особенности длительного свечения сахарных фосфоров, Сергей Иванович обнаружил, что эта фосфоресценция не является однородной. Оказалось, что она состоит из двух видов свечений. Оба длительные. Но одно по цвету совпадает с цветом флуоресценции, то есть короткого свечения, характерного для данного вещества в виде жидкого раствора. Спектр второго свечения сдвинут в сторону длинных волн по сравнению со спектром первого свечения.

Выяснилась и другая особенность двух свечений. Первое, совпадающее по цвету с цветом флуоресценции, было поляризовано. Второе, состоящее из более длинных волн, было не поляризовано, даже если фосфоресценция вызывалась поляризованным светом.

Впоследствии эта работа дала возможность польскому ученому А. Яблоньскому создать его получившую широкую известность в кругах специалистов схему так называемых метастабильных (то есть полустабильных, неустойчивых) состояний люминесцентных веществ. Позднее советский физик, академик Александр Николаевич Теренин и американец Дж. Льюис объяснили эту схему теоретически.

12 мая 1926 года в Берлине произошло событие, приятное как для С. И. Вавилова, так и для его помощника В. Л. Левшина, оставшегося в Москве: на очередном коллоквиуме в университете, в присутствии таких физиков, как Эйнштейн, Планк, и других произошло обсуждение работ двух москвичей.

Сергей Иванович в своем письме Левшину сообщал об этом:

«Берлин, 13 мая 1926 г.

Дорогой Вадим Леонидович, сегодня я собираюсь ехать на десяток дней в Геттинген, так что у меня чемоданы сложены. В Берлин числа 22–25 вернусь, но ненадолго, а потом домой. Вчера на коллоквиуме Прингсгейм рассказывал нашу с Вами работу. Мне по приезде сюда предлагали ее рассказывать, но я отказывался или откладывал. Не особенно приятно кряхтеть перед великими мира сего. Посему Прингсгейм сам решил ее доложить. Сделал это он очень недурно, правда, все переворотив шиворот-навыворот и начал с уран (илового) стекла. Присутствовал весь Олимп, т. е. Эйнштейн, Нернст, Планк, Лауэ, не говорю о молодых разных Бете, Бёзе, Ляден-бург, и т. д. Прингсгейм не скупился на разные «совершенно поражающе», «невиданно», «грандиозно», так что аудитория только крякала. Нам с Вами entre nous[18] особенно скромничать нечего, так что могу сказать, что кругом шептались: «sehr gut»[19] и пр. «Сам», т. е. Эйнштейн, сделал посередке доклада свой классический вопрос, который он делает по поводу вещей ему понравившихся: «Wo ist das gemacht?»[20].По поводу Dunkelzeit[21] он отметил, что это, вероятно, результат наложения двух процессов (и без него мы это знали). Беккер заметил, что ежели так, то должна быть большая температурная зависимость этого Dunkelzeit’a. Разные наши детали Прингсгейм выпустил или так скоропалительно доложил, что, кроме меня, едва ли кто что понял. Во всяком случае, доклад сошел очень хорошо и аудиторией принят благосклонно. Кстати, я научил Прингсгейма, как Вашу фамилию правильно произносить надо[22].

Поклон Ал. Ник. и всем институтским.

Ваш С. Вавилов.

Если будете что писать после получения этого письма, то пишите в Берлин по прежнему адресу».

Сергей Иванович работал главным образом в Берлинском университете, но навещал и другие физические центры Германии.

Из них отметим в первую очередь знаменитый физический институт имени кайзера Вильгельма, находившийся на далекой окраине Берлина — в Далеме. Институт располагал прекрасным оборудованием для экспериментов, и в нем работали выдающиеся исследователи.

Отметим также один из мировых центров физики двадцатых годов — тихий и уютный Геттинген с его старинным университетом Георгии Августы, воспитавшим очень много крупнейших физиков и математиков нашего времени. Помимо отличных лабораторий и библиотеки, превосходного состава преподавателей и профессоров, в Геттингене советский физик встретил еще одно: дух товарищества, связывающего студентов и профессоров в одну дружную семью. Вавилов с приятным чувством обнаружил в старинном университете черты, присущие и тем учебно-исследовательским институтам, с которыми он был связан у себя на родине.

— В этом тоже одна из причин славы Геттингенского университета, — объяснял потом Вавилов своим студентам и товарищам. — Только там, где царит товарищеский дух и где каждый стоит горой за каждого, лишь там могут быть достигнуты особенно высокие успехи в работе.

Глава 2. Законы Вавилова

Выполнив исследование у Прингсгейма и обогатившись полезными сведениями о постановке научных работ в Германии, Вавилов вернулся домой.

Двадцать шестой год не походил на то время, когда физики Москвы сколачивали свои первые коллективы, чтобы помочь новой власти.

Почти не осталось следов недавних бедствий, вызванных войной и голодом. Люди были прилично одеты, а на улицах устанавливался тот жизнерадостный, стремительный ритм, который свойствен столицам государств в мирное время.

Со страниц газет и журналов, с деревянных афиш и со стен предприятий к населению обращались слова призыва: «Превратим нашу страну из аграрной в индустриальную, способную производить своими собственными силами необходимое оборудование». Начиналась пора напряженного труда всего народа — рабочих, крестьян, интеллигенции, — направленного на социалистическую индустриализацию.

С возвращением Сергея Ивановича в Москву в оптической лаборатории Института физики и биофизики резко увеличился объем исследований. Особенно расширилась тематика работ по люминесценции. Постепенно небольшая лаборатория на Миусской площади становилась основным научным центром в стране, занимающимся вопросами холодного свечения. В других городах Советского Союза никаких более или менее значительных исследований в области люминесценции не производилось.

Одним из главных направлений исследований, которое избрал для себя и своих учеников вернувшийся из заграничной поездки Вавилов, был поиск фундаментального закона спектрального преобразования света в процессах люминесценции.

Ведь наиболее важное свойство люминесцирующих тел — это их способность преобразовывать свет так, как это человеку надобно. Обычно речь идет о превращении невидимого возбуждающего излучения в излучение видимое, с другим спектральным составом.

Где только сейчас подобное превращение не осуществляется! В люминесцентных лампах невидимые ультрафиолетовые лучи преобразуются в видимый свет для освещения. Люминесцентные экраны, делающие доступными непосредственному наблюдению невидимые лучи: рентгеновы, радиевые, ультрафиолетовые, инфракрасные и другие, позволили людям видеть сквозь непрозрачные оболочки — внутренние органы тел и элементарные ядерные процессы, расширили возможности микроскопии и так далее. Благодаря способности спектрально преобразовывать свет люминоформы нашли широкое применение в телевидении и радиолокации, в ядерной физике и в электронной микроскопии и в других областях техники и науки. При помощи люминесцирующих тел созданы точнейшие методы химического и сортового анализа.

По какому же закону происходит превращение возбуждающего излучения в излучение люминесценции?

На протяжении столетия среди физиков, занимавшихся вопросами оптики, часто прибегали к так называемому закону (или правилу) Стокса.

Полученный чисто практически, из прямых наблюдений, он был сформулирован в 1852 году английским исследователем Джорджем Стоксом как эмпирическое правило, без всяких теоретических объяснений. Закон Стокса устанавливает отношение излучения, возбуждающего люминесценцию, к самой люминесценции. Так как он и действительно позволяет приблизительно предвидеть, как преобразуется поток лучей, падающий на люминесцирующее вещество, то пользовались этим законом довольно широко и не подвергая его особой критике.

Прежде чем сказать, что сделал в области теории преобразования световых лучей Вавилов, отвлечемся на небольшие разъяснения.

Как известно, «обычный» белый свет, озаряющий от солнца видимые нам днем предметы, представляет собою смесь семи основных цветов. Со школьных лет мы, пользуясь простым мнемоническим правилом, запоминаем последовательность этих цветов, разворачиваемую на экране стеклянной призмой: «каждый — охотник — желает — знать — где — сидят — фазаны», то есть: красный — оранжевый — желтый — зеленый — голубой — синий — фиолетовый.

Чем ближе свет к красному концу спектра, тем длина его волны больше, или, что одно и то же, меньше частота колебания соответствующего излучения. Оно, как говорят, «мягче». Фиолетовый же цвет имеет самую короткую волну, самую высокую частоту колебаний. Фиолетовый конец спектра соответствует самым «жестким» лучам видимого света.

И за красным и за фиолетовыми, концами спектра простираются области невидимых человеческому глазу излучений.

С одной стороны, это «особо мягкое» инфракрасное излучение. С другой — по мере уменьшения длин волн, — ультрафиолетовые, рентгеновы и гамма-лучи. Последние всех «жестче».

С уменьшением длин волн растет энергия фотонов. Фотон видимого света выглядит перед гамма-фотоном — обычно продуктом ядерного распада — как пуля малокалиберной винтовки перед мощнейшим снарядом крепостной артиллерии.

Правило Стокса утверждает, что длина волн люминесценции всегда больше длин волн возбуждающего излучения. Происходит трансформация света, его преобразование от высоких частот к частотам меньшим. Большие кванты падающего света превращаются в малые кванты излучения, а потерянная при этом энергия расходуется на нагревание вещества.

Поэтому цвет люминесценции в основном смещен в красную сторону спектра по сравнению с цветом возбуждающих лучей.

Сергей Иванович весьма наглядно пояснял это свойство холодного свечения.

Он брал стеклянную пробирку и наливал в нее чистую серную кислоту. Как все так называемые «чистые жидкости», и серная кислота содержала в себе небольшие органические примеси из воздуха. Эти примеси при возбуждении их светом люминесцировали. Затем ученый включал ртутную лампу и концентрировал ее свет на пробирке с кислотой. На пути пучка лучей устанавливался тот или иной светофильтр.

Возникала дивная картина, которая неизменно приковывала внимание всех присутствовавших на демонстрации.

Экспериментатор брал сперва черное стекло, пропускающее только ультрафиолетовые лучи. Возникало голубое свечение.

— Переменим цвет возбуждающего пучка! — объявлял Вавилов и заменял черное стекло синим. Свечение немедленно приобретало зеленый оттенок.

Синее стекло заменялось зеленым. Люминесценция становилась очень слабой и приобретала кирпично-коричневый оттенок.

— Видите, — заключал Вавилов, — по мере перемещения цвета возбуждения к красной части спектра в ту же сторону передвигается и цвет холодного свечения. В этом и состоит правило Стокса.

Затем ученый пояснял, что именно на этом свойстве различных невидимых электромагнитных излучений вызывать более мягкое вторичное излучение основано практическое применение люминесценции. Рентгеновы лучи заставляют светиться синеватым цветом экран, покрытый специальным составом. Невидимые ультрафиолетовые лучи, падая на люминофор, превращаются в голубоватое свечение люминесцентной лампы и так далее. Лишь бы вторичное излучение «не выскочило» за пределы видимой (красной) части спектра.

Сразу, однако, следует сказать, что существует способ заставить светиться и невидимые инфракрасные лучи. Причем не нарушая закона Стокса. Люди широко пользуются таким способом, точнее способами, особенно для рассмотрения предметов в темноте («ноктовидения», или видения ночью). На практике инфракрасные лучи очень удобны. Их, во-первых, легко выделить, например поставив перед обычной лампой накаливания черное стекло, задерживающее видимые лучи и пропускающее инфракрасные. Во-вторых, инфракрасные лучи меньше рассеиваются при прохождении через дымку и легкие туманы, чем видимые лучи и ультрафиолетовые. Местность облучается прожектором, дающим только инфракрасные лучи. Последние рассеиваются окружающими предметами, после чего при помощи специальной линзы из стекла или кварца нетрудно получить изображение местности в невидимых лучах.

Но как, спрашивается, такое невидимое изображение превратить в видимое? Ведь это вроде бы запрещено законом Стокса. Синими лучами вызывают зеленое свечение, зелеными — красное, красными — инфракрасное, но обратное неосуществимо, это противоречило бы закону Стокса.

В одной популярной лекции Вавилов объяснил, как можно «обходить» классический закон, не нарушая его.

Можно, например, воспользоваться «ноктовизором» голландского физика Холста, в котором невидимое инфракрасное излучение падает на фотоэлемент, чувствительный к таким лучам. Из фотоэлемента вырываются электроны, энергия которых увеличивается добавочным электрическим полем. Вблизи от фотоэлемента стоит фосфоресцирующий экран, на который падают электроны, вызывая тем видимое свечение. Закон Стокса здесь обходится тем, что к энергии инфракрасных квантов, превратившейся в энергию электронов, добавляется просто новая порция электрической энергии, так что в сумме получается энергии достаточно для получения видимого изображения.

Другой способ обойти закон Стокса чисто световой. Существуют кристаллическое фосфоры, высвечивающиеся очень медленно, практически почти темные. Но такие составы можно все же заставить светиться довольно ярко, если их нагреть или осветить инфракрасными лучами. Сейчас приготовляют много фосфоров, которые могут в течение дня «заряжаться» дневным светом, почти ничего не высвечивая, и затем довольно быстро «разряжаться» с излучением видимого света при падении из них инфракрасных лучей. Если эти лучи отражаются от предметов местности, на экране получается изображение последней. (Важно заметить, что при возбуждении фосфоров дневным светом инфракрасные лучи должны быть обязательно задержаны, например с помощью поставленного на пути соответствующего цветного стекла. Иначе дневной свет будет одновременно заряжать и разряжать фосфор.) Нарушения закона Стокса нет и в этом случае, потому что инфракрасные лучи только ускоряют высвечивание, энергия же излучаемого света черпается не из инфракрасных, а из видимых лучей.

Совсем недавно появилось удивительное сообщение о найденной советскими учеными возможности превращать в видимые лучи даже такие сверхмягкие электромагнитные волны, как радиоволны. Напомню, что эти последние мягче волн инфракрасных лучей в сотни миллионов раз.

На практике закон Стокса выполняется всегда. Но свет по большей части, в том числе и свет люминесценции, состоит из разных квантов — больших и малых, таких, что ближе к фиолетовой стороне спектра, и таких, что ближе к красной стороне. Поэтому физики предпочитают говорить не о «цвете» светового пучка, а о его «спектральном составе». Подчеркивают, что перед ними не совокупность одних и тех же квантов, а смесь квантов разнородных.

Означает ли практическая справедливость правила Стокса, что все без исключения кванты люминесценции «более красны», чем те, что их породили?

Оказывается, нет.

Бывает (и это тоже получено из опытов), что наряду с большим количеством «более красных» квантов люминесценции из облучаемого вещества вылетает и некоторое количество «более фиолетовых» квантов.

Выходит, что наряду с обычной — «стоксовой» — люминесценцией существует и так называемая «антистоксовая» люминесценция: появление заметного количества более жестких фотонов.

Явление антистоксовой люминесценции всегда вызывало самый острый интерес. Оно было загадочно, непостижимо и требовало внимания. Долго никто не мог правильно объяснить, почему вообще возникает такая антистоксовая люминесценция.

Сергей Иванович Вавилов тщательно изучал загадку. И решил ее.

Он раскрыл и сформулировал главные законы люминесценции, причем не благодаря случайной догадке, а в результате совсем иного, чем принято, подхода к явлениям люминесценции.

Вавилов не стал искать чисто спектральные закономерности, как делали многие до него. Он подошел к проблеме энергетически, опираясь на основные положения термодинамики, статистической физики и квантовой механики. Он широко использовал введенные им в физику важнейшие характеристики люминесценции: энергетический выход (отношение энергии, полученной в виде люминесценции, к энергии, которая эту люминесценцию породила, то есть была поглощена телом) и квантовый выход (отношение числа излученных квантов к числу поглощенных квантов).

В результате многочисленных экспериментов и теоретических рассмотрений Вавилов пришел к выводу, что явление люминесценции подчинено двум правилам:

1. Энергетический выход люминесценции не может быть больше единицы. (Это общий термодинамический закон, нарушение его, как показал Вавилов, привело бы к противоречию с таким фундаментальным законом физики, как второй закон термодинамики.)

2. Энергетический выход антистоксовой люминесценции должен быть тем меньше, чем необычнее, «фиолетовое» кванты испускания. Говоря иначе, если природа и мирится иногда с парадоксами, то старается, чтобы их было поменьше и чтобы не они определяли процесс в целом. Чем необычнее явление, тем оно реже происходит.

Иногда эти выводы советского ученого называли законами Вавилова — первым и вторым. Они представлялись физическим оптикам как общий фундамент современной науки о люминесценции и лежали также в основе технических применений холодного свечения.

Уже после кончины Сергея Ивановича были открыты области, где энергетический выход люминесценции превышает единицу (без нарушения второго закона термодинамики). Это показали действительный член Белорусской академии наук Б. И. Степанов и москвичи — В. В. Антонов-Романовский, М. А. Аленцев и М. В. Фок. Поэтому сейчас принято говорить об одном законе Вавилова. Формулируют этот закон сегодня так:

«До тех пор, пока частота возбуждающего света больше частоты света люминесценции, квантовый выход остается постоянным (а энергетический выход растет пропорционально длине волны возбуждающего света). В области же, где частота света люминесценции становится больше частоты возбуждающего света (то есть в антистоксовой области), происходит быстрое падение выхода».

Основной закон люминесценции Вавилова дает естественное толкование и закону Стокса.

Открыв основной закон люминесценции, Вавилов одновременно открыл и тот источник, из которого берется «чудесная» добавочная энергия антистоксового излучения.

До работ Вавилова естествознание знало только две формы передачи энергии: непосредственный перенос ее движущимися частицами (упругий процесс) и волновой процесс.

— Как можно передать энергию на расстояние? — возникал вопрос.

Ответить можно было так:

— Способов не так уж много. Самое простое — перебросить энергию вместе с веществом из одного места в другое. Пример: выстрел из ружья. Выстрел — это перенос разрушительной энергии пороха от стрелка к цели. Энергия здесь перебрасывается летящей пулей. Можно переносить энергию с веществом непрерывным потоком, лавиной, как, скажем, на гидростанциях, но это, в сущности, одно и то же. И тут и там вещество странствует вместе с энергией.

Есть и другой способ. Морская волна, поднятая ветром, несется вдаль и наконец обрушивается на что-то, отдает свою энергию препятствию: берегу, кораблю и так далее. Но если присмотреться к волнам, то легко заметить, что волна несется, а вода ею не увлекается. Она только колышется на одном месте вверх и вниз. В этом случае энергия передается от слоя к слою без передвижения. Точно так же распространяется энергия звука в воздухе. Кроме этих двух способов передачи энергии, мы не знали раньше иных…

Однако Сергей Иванович описал и третий способ передачи энергии на расстоянии, так называемую резонансную индуктивную связь.

Повесьте на одну ось два маятника и раскачивайте один из них, описывал Вавилов. Маятник, качающийся на оси, постепенно вызовет такое же качание другого маятника, если только тот расположен близко, то есть если маятники, как говорят, резонансно связаны. Звук одной струны заставляет звучать другую, настроенную в резонанс с первой.

Нечто вроде этого может происходить и в люминесцирующих растворах.

Если спектры поглощения и испускания таких молекул перекрываются, то между частицами вещества устанавливается резонансная индуктивная связь, и происходит прямой переход энергии, как между связанными резонансными маятниками.

В конечном счете в люминесцирующем веществе ее запас энергии распределится, как остроумно выразился Вавилов, «как бы в двух не сообщающихся между собою этажах». В нижнем, «тепловом» этаже энергия обменивается и распределяется, и в результате устанавливается равновесие. В верхнем этаже уравнивания анергии не происходит. Возникает своеобразная блуждающая энергия, которая передается целиком от одной молекулы к другой и которая порою может привести к рождению квантов люминесцентного излучения, больших по величине квантов поглощения.

Сделав это важное открытие, Сергей Иванович пришел к выводу, что в природе наряду с так называемой макрооптикой, то есть комплексом явлений, связанных со взаимодействием вещества и света на расстояниях, превышающих значительно длину световой волны, существует еще и микрооптика, особая квантовомеханическая область, где взаимодействия света и вещества совершаются на расстояниях, меньших длины световой волны.

Так на перекрестке нескольких наук — термодинамики, оптики, молекулярно-статистической физики и квантовой механики — родилась созданная Сергеем Ивановичем Вавиловым новая наука — микрооптика.

Глава 3. Наука и жизнь

«…Советский ученый, занимающийся широкими теоретическими проблемами, должен всегда оглядываться на свой народ, на запросы родной страны, на сегодняшний день, должен всеми доступными для него способами извлекать из своих теоретических обобщений выводы, полезные для развития нашего Советского государства»[23].

Это он говорил, уже будучи президентом. Но думал так еще начинающим ученым-физиком. И не только думал, но и что-то делал. В частности, пытаясь еще тогда, на самом пороге своих исследований люминесценции, создать люминесцирующие составы, которые годились бы для изготовления будущих ламп холодного свечения.

…Попытки создания бытовых люминесцентных ламп предпринимались и до Вавилова. На улицах больших городов попадались яркие рекламные надписи, преимущественно красного, зеленого и синего цветов. Это были электрические разрядные лампы высокого напряжения, в которых светились главным образом газ неон и пары ртути.

Кое-где можно было встретить лампы с парами металла натрия, в которых свечение возникало при электрическом разряде низкого напряжения. Предпринимались и другие попытки.

Но все первые лампы холодного света отличались крайним несовершенством. Они имели неудобную форму. Некоторые требовали высокого напряжения. Все без исключения обладали неудовлетворительным спектральным составом. В ярком желтом свете паров натрия предметы теряли свою окраску и становились одноцветными, малоприятными для глаза.

Когда на улице Горького в Москве для пробы повесили несколько люминесцентных ртутных ламп, это вызвало протесты москвичей, люди не желали мириться с их мертвящим белесовато-зеленым цветом.

Недостатки прежних люминесцентных ламп не уравновешивались даже их высоким к.п.д. — например, у натровых ламп до 50 процентов против 3–5 процентов у обыкновенных ламп накаливания: стоимость первых светильников с холодным излучением была довольно высока, а срок жизни невелик.

Решив теоретическую задачу — найти закон спектрального преобразования света в люминесцирующих веществах, Вавилов сразу же стал искать решения и практической задачи: создание люминесцентных ламп, свободных от недостатков прежних.

Сергей Иванович вспомнил, как поступали иногда в прошлом веке мастера-стеклодувы, когда им заказывали газосветные трубки для демонстрационных целей. Эти трубки они делали из люминесцирующего уранового стекла, в результате чего свечение газового разряда становилось много ярче и эффективнее.

— Почему бы не применить подобный принцип для создания современных мощных, но дешевых люминесцентных ламп? — сказал как-то Вавилов Левшину. — Светящийся состав не обязательно должен быть растворен в стекле. Эффективное свечение будет и если просто на обыкновенную стеклянную трубку надеть колпак из люминофора.

Вавилов решил сочетать современные ртутные или аргоновые лампы с особым образом приготовленными кристаллическими составами — кристаллофорами (люминофорами на кристаллической основе). Идея старинных стеклодувов вступала в союз с идеями современной физики.

Задолго до появления за границей люминесцентных ламп, пригодных для практического освещения помещений и улиц, в СССР по инициативе и при содействии Сергея Ивановича стали создаваться новые экономичные и приятные для глаз источники света.

Физики и инженеры приготовляли и испытывали множество светосоставов. Лучшие отбирались для промышленного производства.

Светящиеся массы приготовлялись следующим образом. Сперва брали так называемую «основу»: сернистый цинк, вольфрамат магния или другое вещество. К ним в небольших количествах добавляли «активаторы» — соли тяжелых металлов, по большей части меди, серебра или марганца (от активатора зависит цвет свечения, отсюда их название). К полученной массе присоединяли «плавень» — чаще всего поваренную соль. Все это прокаливали при температуре от 750 до 1500 градусов, причем плавень, все сплавлял, превращал в единообразное вещество, и люминофор (кристаллофор) был готов.

Все остальное представляло собой несложную технологическую задачу. Тончайшим слоем люминофора покрывали изнутри длинную стеклянную трубку нужной формы. Затем из трубки откачивали воздух и ее наполняли парами ртути или аргона (применяют и другие газы) при низком давлении, порядка 0,01 миллиметра ртутного столба. Теперь светильник можно было пускать на испытание. При включении такой лампы в обычную электрическую сеть в ней возникал разряд. Пары ртути или аргона испускают невидимые ультрафиолетовые лучи, последние действуют на люминофор, и лампа светится ярким и нежным светом избранной окраски.

Сразу же выяснилось, что новые «вавиловские» лампы исключительно экономичны: при одной и той же затрате энергии они отдают света в три-четыре раза больше, чем обыкновенные лампы накаливания.

Этим не исчерпывались достоинства новых холодносветных светильников. Применяя разные люминофоры, можно изменять спектральный состав света, его цветность. Это позволяет производить лампы, более всего пригодные для тех или иных практических условий.

Особенно хорошими были признаны лампы дневного света, излучение которых по спектральному составу и цвету приближается к солнечному свету. При включении подобных ламп не утомляется зрение, окраска окружающих предметов остается той же, что и днем.

Важный вывод из указанного обстоятельства сделали позднее руководители некоторых промышленных предприятий, в частности лакокрасочных и текстильных фабрик. Когда эти фабрики раньше работали в ночное время, присущий свету обычных ламп накаливания желтоватый оттенок искажал цвет предметов. Портилось зрение у рабочих, снижалось качество продукции. С появлением люминесцентных ламп эти неудобства ночных смен были устранены.

Еще при жизни Сергея Ивановича по его настоянию на шахтах Донбасса были внедрены взрывобезопасные люминесцентные лампы; лампы холодного свечения стали широко применяться для освещения станций Московского метрополитена, высотных зданий столицы, а также картинных галерей Государственного Эрмитажа в Ленинграде. Ультрафиолетовые и другие холодносветные лампы стали применяться для освещения закрытых рабочих кабин и темных проходов в шахтах.

Сейчас мы в неизмеримо большей степени, чем современники молодого Вавилова, можем оценить, что принесло открытие механизма люминесценции и что оно способно принести при дальнейшем освоении.

Освещение — очень важная, но далеко не единственная область, где хорошо и очень эффективно проявило себя холодное свечение.

Мы уже упоминали, что на свечении люминофоров основаны работа телевидения и радиолокационных установок, действие электронно-лучевых преобразователей, позволяющих видеть в темноте, в инфракрасных лучах и так далее. Остановимся на некоторых современных практических применениях холодного свечения подробнее.

Людям «ночных профессий» — штурманам самолетов, машинистам тепловозов, шахтерам, астрономам, сотрудникам физических лабораторий и другим — приходится вести наблюдения в темноте. Их зрение должно быть приспособлено к таким условиям. Но включение обычных источников света хотя бы на несколько минут лишает их возможности хорошо ориентироваться в обстановке. И тут на помощь работающим в темноте приходят светящиеся полетные — штурманские — карты, справочники и шкалы. Светящимися красками, основную часть которых обычно составляет сернистый цинк, наносят указатели и надписи на улицах.

Каждое люминесцирующее вещество светится при облучении особым цветом. Благодаря этому по спектру люминесценции можно производить количественный и качественный анализ. Сейчас подобный метод, впервые разработанный ученицей Сергея Ивановича М. А. Константиновой-Шлезингер, получил чрезвычайно широкое распространение. Люминесцентный анализ оказался чрезвычайно чувствительным средством определения чистоты продуктов, контроля качества, выявления всевозможных дефектов продукции и фальсификаций; таким анализом удается обнаружить стомиллиардные доли грамма вещества в одном кубическом сантиметре пробы. Причем сохраняя полностью вещество, не разрушая пробы, как это, к сожалению, происходит почти при всех иных видах качественного анализа.

Сегодня к люминесцентному анализу охотно прибегают химики, геологи при поисках полезных ископаемых: нефти, редкоземельных элементов и так далее. Используется этот надежный метод и для проверки качества продовольственных и сельскохозяйственных продуктов. Люминесцентная дефектоскопия нашла себе широкое применение для обнаружения невидимых глазу пор и трещин в изделиях из металла, стекла, пластмасс, керамики.

Нет ничего проще такого способа контроля. Проверяемая деталь окунается в жидкую смесь, состоящую из люминофора и органического растворителя. Если деталь велика, жидкость наносят на ее поверхность при помощи щетки или пульверизатора. Раствор проникает в самые тонкие трещины и поры и заполняет их. После этого люминесцирующее вещество устраняется с поверхности детали, а изделие в темноте подвергается ультрафиолетовому облучению. Брак обнаруживается мгновенно: люминофор, оставшийся в местах пороков, начинает светиться, отчетливо выдавая места изъянов.

Все более широкое применение — ив самых разнообразных областях — находят себе экраны из люминофоров для обнаружения всевозможных электромагнитных радиаций: гамма-лучей, лучей Рентгена, ультрафиолетовых и инфракрасных, а также для так называемой корпускулярной радиации — лучей, состоящих из мельчайших частиц вещества: электронов, нейтронов, протонов и других.

Несколько лет назад химические заводы стали вырабатывать органические люминофоры-отбеливатели для нужд текстильной и бумажной промышленности. Здесь использован эффект «оптического отбеливания» не вполне белых материалов: волокон, тканей, бумаги, фотобумаги и тому подобного. Материал красят люминесцентным красителем; под действием ультрафиолетовых лучей, находящихся в составе дневного света, материал начинает люминесцировать, и мы видим идеально белую окраску.

Многообещающим является способ защиты многих органических материалов — пластмасс, искусственного и синтетического волокна, лаков, красок и других — от старения под влиянием ультрафиолетовых лучей, входящих в состав дневного света. Внутрь материала вводится — или наносится на его поверхность — люминофор, назначение которого — «смягчать» жесткие ультрафиолетовые лучи и отсылать, «высвечивать» их обратно.

Люминесцентные кристаллы — кристаллофоры — широко сейчас применяются для исследований ядерных излучений. Частицы вещества и кванты, возникающие при ядерных реакциях, способны вызывать в кристаллофорах вспышки свечения — так называемые сцинтилляции. По числу подобных вспышек можно судить хорошо об интенсивности излучения. Сцинтилляционные счетчики ядерного излучения обладают рядом преимуществ перед счетчиками других систем: первые значительно чувствительнее и позволяют определять не только число частиц, но и их энергию. На этом основании Евгений Константинович Завойский, ныне академик, разработал люминесцентную камеру, позволяющую наблюдать процессы преобразования элементарных частиц.

Успешно применяется люминесценция в различных областях сельского хозяйства, например при семенном отборе. Свечение здоровых семян отличается от свечения семян, пораженных различными заболеваниями. По характерной для различных заболеваний люминесценции можно обнаружить начало процесса гниения корнеплодов.

Врачи применяют люминесцентные методы в диагностике рака и при других заболеваниях.

Самые неожиданные, самые сложные задачи решаются в наши дни иногда с помощью люминесценции изобретательными физиками или инженерами.

Любопытный случай произошел в одном из советских портов. Дно моря постоянно засорялось песком. Для поддержания необходимой глубины его ежегодно очищали, а песок в огромных количествах вывозили в открытое море и там выбрасывали. Вдруг возник вопрос: «Ане тот ли же самый песок, что мы вывозим, под влиянием течения возвращается с места морской свалки обратно?» Моряки обратились к физикам, и те применили люминесцентный способ. Ученые «выкрасили» некоторое количество песка люминофором и выбросили его на место свалки. Некоторое время спустя они взяли пробу со дна порта и рассмотрели ее в темноте под ультрафиолетовым осветителем. Проба действительно засветилась: в ней был обнаружен меченый песок. Подозрения о возвращении песка в порт подтвердились, и из этого сделали соответствующие выводы. Свалку перенесли на другое место, и порт больше не засорялся. Остроумное использование холодного свечения сэкономило государству миллионы рублей.

Интересной областью применения люминесценции стали различные формы изобразительного искусства. Вот что писал еще сам Сергей Иванович о применении ее в театральном деле:

«Большое значение люминесценция получила за границей и у нас в театральной технике. Многие задачи театрального дела, разрешавшиеся очень сложным путем, стали крайне простыми, когда научились применять ультрафиолетовый невидимый свет и разнообразные светящиеся составы. Так называемые «чудеса» в оперных, балетных и детских спектаклях осуществляются с помощью «холодного света» в большинстве случаев крайне просто. Легко, например, показать танцора, исполняющего сложный и трудный танец на одной ноге, для этого достаточно, чтобы вторая нога танцора была покрыта не-люминесцирующим материалом. Тогда в ультрафиолетовом пучке света все остальные части тела люминесцирующего танцора будут светиться, за исключением одной ноги. Люминесценция позволяет необычайно красиво и фантастично осуществить такие трудные постановки, как «Подводное царство» в опере «Садко» или «Вальпургиеву ночь» в «Фаусте». Длящееся свечение люминесцирующих составов очень облегчает и расширяет театральные возможности, освобождая, например, от надобности постоянной слежки за актером или движущейся частью декорации возбуждающим прожектором»[24].

Особенно привлекали Вавилова возможности применения люминесценции в живописи. Это направление он не уставал популяризировать и часто высказывался в таком роде:

— До сего времени в живописи применяется лишь рассеянный свет — дневной или искусственный вечерний. Люминесцирующие вещества дают художнику совершенно. новую возможность создавать самосветящиеся изображения. Можно, например, нарисовать картину различными люминесцирующими веществами и осветить ее при помощи ртутной лампы, закрытой специальным черным стеклом, пропускающим только ультрафиолетовые лучи, безвредные для глаза. Картина будет светиться сама.

Что особенно интересного и нового способна дать самосветящаяся живопись?

Обычные краски обладают двумя недостатками. Во-первых, они всегда малонасыщенны; глубокие, насыщенные цвета можно наблюдать только в окрашенных стеклах — витражах. Во-вторых, диапазон обычных красок много меньше того, что наблюдается в природе. Самая лучшая «черная» поверхность отражает не менее 3–5 процентов падающего света, в то время как наилучшая белая краска — не свыше 90–95 процентов. Это значит, что самые яркие места картины могут быть ярче самых темных не больше как в 32 раза (95:3).

— Между тем в реальных условиях, — говорил Сергей Иванович, — например, когда мы любуемся пейзажем с заходящим солнцем или идем по лесу, освещаемому прямыми солнечными лучами, человеческий глаз отчетливо разбирается в относительных яркостях, отличающихся, во всяком случае, в несколько сотен раз. По этой причине картина, написанная обычными красками, не в состоянии более или менее правильно передать пейзажи вроде вышеописанных, люминесцентные краски свободны от этих недостатков. Восходящее или заходящее солнце, лунные пейзажи, лес, освещенный прямыми солнечными лучами, — сюжеты такого рода могут быть переданы люминесцентными красками с полным правдоподобием.

Постепенно самосветящиеся краски входят в употребление и в живописи. На Выставке достижений народного хозяйства СССР в Москве посетители с интересом останавливались перед люминесцентными картинами в Павильоне гидротехники и сельского хозяйства. Архитекторы окрашивают люминесцентными красками эскизы и макеты проектируемых сооружений, чтобы добиться контрастов, которых следует ожидать в реальной обстановке.

Промышленность, народное хозяйство, быт, научные исследования, искусство, медицина, сельское хозяйство, биология и микробиология, криминалистика… С каждым годом увеличивается список областей, где люминесценция становится прямо-таки незаменимой.

Все это результат работ в первую очередь Вавилова и его школы.

В самый канун войны, в 1941 году, под руководством Вавилова были получены промышленные образцы люминесцентных ламп. Их передали для производства Московскому электроламповому заводу и московскому же заводу «Светотехника». Однако начавшаяся Великая Отечественная война не позволила развить их производство. Положение изменилось лишь по окончании войны. И сейчас производство этих ламп непрерывно расширяется.

Уже посмертно С. И. Вавилов был удостоен за разработку люминесцентных ламп Государственной премии. Одновременно почетная награда была присуждена коллективу ученых, работавших с Сергеем Ивановичем: В. Л. Левшину, В. А. Фабриканту, М. А. Константиновой, Ф. А. Бутаевой и В. И. Долгополову.

Открытие практической люминесценции имеет исключительное значение не только в рамках нашей страны, но и для всей мировой цивилизации. Пророчески звучат слова Сергея Ивановича, предсказывавшего универсальность применения холодного свечения в жизни человеческого общества. Ими он заканчивает свою замечательную книгу «О «теплом» и «холодном» свете». Мы воспользуемся ими, чтобы закончить настоящую главу:

«Не нужно обладать особым даром предвидения, чтобы предсказать заранее то недалекое время, когда «холодный свет» станет для каждого из нас столь же неизбежным и привычным предметом обихода, каким является электрическая лампа накаливания.

«Холодный свет» — это единственное рациональное решение светотехнической проблемы, это освобождение от проторенной дороги тепловых источников света, на которую толкает нас природа, это овладение природой, ее переделка. «Холодный свет» — это неотъемлемая часть культурной жизни будущего коммунистического общества. Наша обязанность — приблизить осуществление и повсеместное распространение «холодного света»[25].

Глава 4. Поющий электрон

Когда предки современных экспериментаторов — алхимики — в поисках «философского камня» приближались к двери, ведущей к раскрытию тайны тончайшего строения материи, они догадывались, что за этой дверью их ждет не только рецепт превращения одних веществ в другие, но и некая фантастическая сила, которая сможет причинить людям как добро, так и зло. Задумываясь над последствиями неосторожного обращения с нею, они предупреждали дальнейшие поколения ученых:

«Не допускайте в ваши мастерские силу и ее рыцарей, ибо эти люди употребляют во зло священные тайны, ставя их на службу насилию».

Увы, заветы алхимиков были основательно забыты, когда физики штурмовали цитадель атома. Пожалуй, тем заветам не придали бы значения, если б их и помнили. Но в то время как большинство ученых не думало об опасностях, таящихся в микромире (и тем порой пассивно помогало злу), были и такие, кто активно и сознательно искал в нем добрую силу, способную помочь людям лучше устроить свою жизнь.

От лица таких ученых французский физик Фредерик Жолио-Кюри, получая в 1935 году вместе со своей женой Ирен Нобелевскую премию за открытие явления искусственной радиоактивности, сказал:

«Мы отдаем себе отчет в том, что ученые, которые могут создавать и разрушать элементы, способны также осуществлять ядерные реакции взрывного характера… Если удастся осуществить такие реакции в материи, то, по всей вероятности, будет высвобождена в огромных количествах полезная энергия».

Вавилов не был ученым-атомником в чистом смысле. Фотоны, которые он изучал, являлись только частью необъятной области простейших частиц материи. А изучал их Сергей Иванович как часть светового раздела физики. Но исследовал их в их взаимодействии с молекулами и атомами. Он применял законы квантовой механики, и его открытия обогащали теорию и практику науки о микромире. Так что ученые-атомники вполне могут считать Вавилова «своим».

Много на земле профессий, которые по самому своему характеру являются «добрыми» и которые лучше всего представляются добрыми же людьми. Например, учителя, врачи. Само по себе занятие наукой — сфера нейтральная, безотносительная к добру и злу. Но есть люди, которые умудряются как-то передавать черты своего характера и науке, как любому другому нейтральному занятию.

Все работы Вавилова в области физической оптики, все его открытия служили благу человека. Даже самые, казалось бы, отвлеченные теоретические положения Вавилова в конечном счете оборачивались полезными делами практики.

Хороший тому пример — открытие явления, сейчас всем хорошо известного, — «свечения Вавилова — Черенкова» — и последствия этого открытия.

В 1932 году, когда Сергей Иванович находился уже в Ленинграде, в его лаборатории на набережной Невы стал работать молодой аспирант Павел Алексеевич Черенков. Подобно многим другим, и Черенков прошел тщательную тренировку для работы в темноте. Свой рабочий день он долго начинал с того, что добрый час сидел в совершенно темной комнате, ничего не делая, затем подходил к приготовленным заранее приборам и приступал к исследованиям.

Вавилов хорошо разбирался в людях и быстро выносил почти всегда безошибочные суждения о том, что может и чего не может тот или иной сотрудник. Очень скоро оценив способности и усидчивость нового своего аспиранта, Сергей Иванович поручил ему сложное и длительное исследование люминесценции ураниловых солей под действием жестких невидимых гамма-лучей. Для юноши потянулись долгие, порою окрыляющие, но чаще полные недоумений и загадок дни опытов…

Ураниловая соль, растворенная в воде в определенной концентрации, светится под влиянием гамма-облучения. В полном соответствии с законом Вавилова — Стокса огромные гамма-кванты источника излучения (ампулы с радием) преобразуются в малые кванты видимого света.

Люминесценция налицо.

«Интересно, — рассуждал Черенков, — как она изменится, если увеличить концентрацию? А если, наоборот, разбавить раствор водою? Важна, конечно, не общая картина, а точно выраженный физический закон».

И вот, посоветовавшись с руководителем, аспирант Вавилова доводит концентрацию до некоторого максимума, затем постепенно понижает ее.

Все идет как ожидалось: меньше растворено солей — меньше люминесценция. Это естественно, так как холодное свечение вызывается возбуждением молекул соли, а не воды.

Наконец в растворе остаются лишь следы уранила. Теперь уж, разумеется, никакого свечения быть не может.

Но что это?! Черенков не верит своим глазам. Уранила осталась гомеопатическая доза, а свечение продолжается. Правда, очень слабое, но продолжается. В чем дело?

Черенков выливает жидкость, тщательно промывает сосуд и наливает в него дистиллированную воду. А это что такое? Чистая вода светится так же, как и слабый раствор. Но ведь до сих пор все были уверены, что дистиллированная вода не способна к люминесценции.

Черенков взволнован. Он рассказывает своему руководителю о «неудачном» опыте. Но Сергей Иванович тоже не знает, чем объяснить странное свечение.

— Может быть, вода все-таки не совсем чистая? Не растворяется ли в ней, пусть в самой ничтожной доле, стекло? Стекло засоряет воду, и в результате возникает непонятный эффект.

Вавилов советует аспиранту попробовать поставить вместо стеклянного сосуд из другого материала. Черенков берет платиновый тигель и наливает в него чистейшую воду. Под дном сосуда помещается ампула со ста четырьмя миллиграммами радия. Гамма-лучи вырываются из крошечного отверстия ампулы и, пробивая платиновое дно и слой жидкости, попадают в объектив прибора, нацеленного сверху на содержимое тигля.

Снова приспособление к темноте, снова наблюдение, и… опять непонятное свечение.

— Это не люминесценция, — твердо говорит Сергей Иванович. — Это что-то другое. Какое-то новое, неизвестное пока науке оптическое явление.

Вскоре всем становится ясно, что в опытах Черенкова имеют место два свечения. Одно из них — люминесценция. Оно, однако, наблюдается лишь в концентрированных растворах. В дистиллированной воде под влиянием гамма-облучения мерцание вызывается иной причиной…

А как поведут себя другие жидкости? Может быть, дело не в воде?

Аспирант наполняет тигель по очереди различными спиртами, толуолом, другими веществами. Всего он испытывает шестнадцать чистейших жидкостей. И слабое свечение наблюдается всегда. Поразительное дело! Оно оказывается очень близким по интенсивности для всех материалов. Разница не превышает 25 процентов. Четырех-хлориотый углерод светится всех сильнее, изобутановый спирт — всех слабее, но разница их свечений не превышает 25 процентов.

Черенков пытается погасить свечение особыми веществами, считающимися сильнейшими гасителями обычной люминесценции. Он добавляет к жидкости азотнокислое серебро, йодистый калий, анилин… Эффекта (гасительного) никакого: свечение продолжается.

Что делать?

Вопрос этот задает себе не только молодой аспирант; задает его и Вавилов. Надо бы продолжать исследования, пытаться разрешить загадку, тем более что по поводу опытов вокруг уже поговаривают разное…

«Я очень хорошо помню язвительные замечания по поводу того, что в ФИАНе занимаются изучением никому не нужного свечения неизвестно чего под действием гамма-лучей», — вспоминал академик И. М. Франк.

Среди недоброжелателей и ответственные сотрудники академии, они реально могут помешать. Но Сергей Иванович никого не слышит, и Черенков продолжает опыты.

По совету руководителя он нагревает жидкость. На люминесценцию это всегда влияет сильно: она ослабевает и даже прекращается совсем. Но в данном случае яркость свечения не меняется ничуть. Выходит, здесь действительно какое-то особое, доныне неизвестное явление?

Какое же?

В 1934 году в «Докладах Академии наук СССР» появляются первые два сообщения о новом виде излечения: П. А. Черенкова, излагающего подробно результаты экспериментов, и С. И. Вавилова, пытающегося их объяснить. Руководитель высказывает предположение, что свечение вызывается не самими гамма-лучами, а свободными быстрыми электронами, возникающими при прохождении гамма-лучей в среде.

Эта точка зрения подтверждается впоследствии. Подтвердил ее тот же Черенков, затем и американские физики Коллинз и Рейлинг.

У таинственного свечения устанавливается одна особенность: его нельзя увидеть, став где ни попало рядом с прибором. Наблюдатель видел свечение только в пределах узкого конуса, ось которого совпадала с направлением гамма-излучения.

Учтя это существенное обстоятельство, Черенков поместил свой прибор в сильное магнитное поле. И тут же убедился, что поле отклоняет узкий конус свечения в сторону. Но это возможно лишь для электрически заряженных частиц, например электронов; магнитное поле не подействовало бы на «чистый» свет, на электромагнитные волны, не имеющие заряда.

Источник электронов был ясен с самого начала: жесткие гамма-лучи радия выбивали их из атомов жидкости. Выходит, Сергей Иванович прав: свечение вызывается электронами?

Чтобы окончательно убедиться в этом, аспирант Сергея Ивановича берет другое излучение: не гамма-лучи, а бета-лучи, представляющие собою, как известно, поток быстрых электронов. Он облучил ими те же жидкости, что и раньше, и получил такой же световой эффект, как при гамма-облучении.

Американцы повторили опыт Черенкова, причем проделали это с большим размахом: они применили мощный поток электронов, ускорив его электростатическим генератором до огромной энергии в 2 миллиона электронвольт. Результаты Коллинза и Рейлинга во всем принципиальном совпали с результатами русского физика.

Итак, загадочное оптическое явление возникает только там, где налицо движение быстрых электронов. Ответ на вопрос № 1 был получен. Вопрос № 2, требовавший ответа, заключался в следующем: как выглядит механизм преобразования движения электронов в движение фотонов необычного свечения?

Если сыпать на сковородку горох, то какая-то доля энергии гороха превратится в звук. Если на пути быстрых электронов поставить металлическое препятствие, то некоторая часть энергии торможения электронов превратится в рентгеновы лучи. Не наблюдается ли чего-нибудь подобного и в черенковских опытах?

Сергей Иванович сперва утвердительно ответил на это. «Да, — таков был смысл его ответа, — черенковское свечение — нечто вроде видимого «хвоста» невидимого рентгенового излучения. Явление, наблюдаемое Черенковым, представляет собою сравнительно длинноволновое электромагнитное излучение, потому его и можно наблюдать без помощи флуоресцирующей пластинки — экрана, как рентгеновы лучи».

Подобное объяснение, однако, оказалось неправильным. Позднее, в 1937 году, два советских физика — другой ученик Вавилова, Илья Михайлович Франк, и Игорь Евгеньевич Тамм — нашли иное, правильное объяснение. Эти электроны летят быстрее, чем распространяется свет в данной среде, сказали Франк и Тамм, и в результате возникает необычное явление: порожденные электронами электромагнитные волны отстают от своих родителей, светятся сзади их. При обычных (для человеческой практики) светильниках так не бывает: как бы быстро те ни двигались, их свет их все равно обгонит. А при уж очень быстрых электронах, оказывается, бывает: возбужденные ими электромагнитные волны интерферируют между собою (то есть налагаются друг на друга), и возникает черенковское свечение.

— Но ведь скорость света максимальная в природе! — возникало возражение у нефизиков, впервые слушавших такое объяснение.

Да, максимальная. Но в пустоте. Вот ответ на возражение.

Скорость света — предельно возможная в природе, когда кругом нет ничего. Поэтому в пустоте даже самые быстрые электроны не смогли бы обогнать фотоны света. Отсюда следствие: явление Вавилова — Черенкова наблюдается лишь в веществе, то есть лишь в более или менее плотных средах (в воде, спирте, воздухе и других).

Свечение Вавилова — Черенкова удобно описывать по аналогии со сверхзвуковыми самолетами. Все знают, что это аппараты, обгоняющие собственный звук. Узнать об их приближении по реву моторов невозможно. По фронту движения такого самолета перемещается могучая ударная волна, и она способна причинить немало бедствий всему, что почему-либо вдруг окажется на поверхности ее конуса.

Электроны в опытах Черенкова, как сверхзвуковые самолеты, создают свои ударные волны. Только не звуковые, а световые.

Недаром появилась тогда крылатая фраза:

— Греки слышали голоса звезд, а в черенковском свечении слышны голоса электронов. Это поющие электроны.

В 1946 году Вавилов вместе с Черенковым, Франком и Таммом за открытие и объяснение природы пового вида излучения получил Государственную премпю.

А еще двенадцатью годами позднее за ту же самую работу, приобретшую к тому времени всеобщую популярность и способствовавшую многим другим важным открытиям, Шведская академия наук присудила Нобелевскую премию по физике трем советским ученым: П. А. Черенкову, И. М. Франку и И. Е. Тамму. (Сам Сергей Иванович не дожил до этого всемирного признания одного из достижений своей лаборатории: премия была присуждена в 1958 году, семь лет спустя после его кончины. По положению же Нобелевские премии присуждаются лишь прижизненно.)

Что практически дало науке, людям голубое сияние сверхсветовых электронов, открытое в лаборатории Вавилова?

Много — и только доброе, служащее благим целям.

Любопытно провести одну историческую аналогию, сравнить последствия двух открытий, сделанных приблизительно в одно и то же время.

В 1932 году английский ученый Джемс Чедвик открыл нейтрон — ключ к расщеплению атома. Годом позже Вавилов и Черенков открыли свечение, названное их именами. Добрый десяток лет открытия-ровесники представляли для физиков лишь академический интерес, не более. Но наступили сороковые годы, и пути ровесников разошлись.

Первая крупная практическая «работа» нейтронов привела к уничтожению десятков тысяч человеческих жизней в двух крупнейших городах Японии. В историю людей вошли атомные бомбы.

Вскоре было обращено к практической деятельности и черенковское излучение. В 1947 году советский физик В. Гинзбург показал, как с помощью явления Вавилова — Черенкова можно вырабатывать ультракороткие миллиметровые и субмиллиметровые волны.

Тогда же впервые были предложены получившие сразу широкое распространение важные физические приборы, чувствительные для регистрации отдельных фотонов, — так называемые фотоумножители. С тех пор ученые больше не сидят часами в темноте, если им необходимо провести какие-то оптические опыты. Электронные приборы автоматически ведут подсчет фотонов, замечая и то, чего не мог бы раньше заметить даже самый натренированный глаз.

Выявляется все больше важных областей использования эффекта Вавилова — Черенкова в исследовательских целях, особенно после того, как было установлено, что названный эффект вызывается не только электронами, но и вообще всеми быстродвижущимися электрически заряженными частицами: протонами, мю-мезонами, позитронами и другими. Счетчики Черенкова, работа которых основана на регистрации возникающего свечения Вавилова — Черенкова, позволяют обнаружить не только сам факт присутствия элементарных частиц, но и с высокой точностью вычислять их скорость и устанавливать, что именно за частицы перед исследователем.

Изучение свечения Вавилова — Черенкова привело к открытию неизвестных раньше частиц антивещества — антипротона и антинейтрона.

Черенковские счетчики в наше время применяют при изучении космических лучей, попадающих на поверхность искусственных спутников Земли.

Созданы и действуют черенковские спектрометры, позволяющие с высокой точностью устанавливать энергию гамма-лучей при проведении опытов с различными типами ускорителей.

Глава 5. Талант педагога

Вавилов еще в юные годы окружал себя сверстниками, желавшими узнать о достижениях научной мысли больше, чем то можно было сделать на основе предусмотренного курса. Так, например, было в период студенчества, когда неудовлетворенный новостями литературы, которые удавалось слышать на лебедевском семинаре, Сергей Иванович самолично организовал группу студентов для изучения научной литературы. Он прекрасно руководил созданным таким образом студенческим коллоквиумом и строго следил за активным участием каждого из его членов.

Академик Г. С. Ландсберг, окончивший Московский университет годом раньше Вавилова, оставил ценное свидетельство о своем коллеге.

Г. С. Ландсберг в воспоминаниях о С. И. Вавилове: «Я помню, как поражало нас, его товарищей, еще в студенческое время и в первые годы самостоятельной научной работы широкое знакомство С. И. Вавилова с текущей научной литературой, определявшееся его неисчерпаемым интересом к тому, что делается в физике. Сергей Иванович высоко ценил научные коллоквиумы и был душой их. Еще студентом он организовал такой коллоквиум по новой литературе для ближайших товарищей; он был самым активным докладчиком и участником дискуссий в коллоквиуме Института физики и биофизики, руководимом академиком П. П. Лазаревым; не ограничиваясь этим, он создал свой дополнительный коллоквиум, специально по вопросам оптики».

Неудивительно, что педагогические навыки, приобретенные в юности, и любовь к организации учебных занятий и к их проведению очень пригодились Вавилову — преподавателю и профессору высшей школы.

Педагогической работой в прямом смысле слова Сергей Иванович занимался не очень долго: четырнадцать лет, с 1918 года по 1932-й. Он вел ее в Московском высшем техническом училище, в Московском высшем зоотехническом институте и в Московском государственном университете.

В первое из трех учебных заведений Вавилова привлек его же научный руководитель П. П. Лазарев, который в начале революции был здесь профессором. Поступив сюда в восемнадцатом году, Сергей Иванович поначалу выполнял скромные функции преподавателя практикума и помогал Лазареву на лекциях.

Вавилов очень гордился этой своей работой и часто вспоминал о ней впоследствии. Он относился к ней с такой же серьезностью, как много лет спустя к обязанностям президента Академии наук. Сергей Иванович принял активное участие в полной реорганизации физического практикума, который в те времена был поставлен в училище из рук вон плохо. Сам опытный экспериментатор, он разработал много новых практических задач и составил к ним описания.

Вскоре он стал доцентом Высшего технического училища, затем и его профессором. В старейшем высшем техническом учебном заведении Москвы он до 1927 года читал два курса: по общей физике и по теоретической светотехнике. Кроме того, руководил там дипломным проектированием нескольких студентов, оканчивавших по специальности светотехника.

Работа вчерашнего лебедевца и в области теоретических физических исследований и одновременно по подготовке инженерных кадров прекрасно отражала дух молодой советской науки, ее связь с жизнью.

Любопытно, что как раз в то время, когда Вавилов обучал будущих станкостроителей и мостовиков, другой известный теоретик, профессор математики Гёттингенского университета Давид Гильберт, выступая в Ганновере на конгрессе инженеров, заявил: «Приходится слышать разговоры о враждебности между учеными и инженерами. Я не верю в это. Я действительно твердо убежден в том, что это неправда. Ничего подобного и не может иметь места, потому что ни те, ни другие не имеют ничего общего между собой».

Вавилов говорил своим студентам нечто прямо противоположное. Свою позицию в вопросе о взаимоотношении науки и производства Сергей Иванович выразил однажды перед студентами словами древнего персидского поэта Саади:

«Кто учился наукам и не применяет их, похож на того, кто пахал, но не сеет».

Именно в МВТУ Сергей Иванович предложил одному студенту следующую тему для дипломного проекта: «Использование ультрафиолетового излучения ртутных ламп для получения с помощью люминесцирующих веществ видимого света». Руководство этим студенческим проектом можно причислить к первым работам Вавилова, с которых начались его широкие исследования, приведшие впоследствии к созданию люминесцентных ламп.

Работа в МВТУ приносила Сергею Ивановичу большое удовлетворение. Но первое свое профессорское звание он получил не там и не в университете, а в Московском зоотехническом институте. Это произошло осенью 1920 года.

Молодой зоотехнический институт был создан на базе Сельскохозяйственной школы — старинного среднего учебного заведения.

И здесь Сергей Иванович старался дать студентам максимум возможного. Правда, работать в этом институте приходилось значительно труднее, потому что физика у зоотехников считалась предметом вспомогательным. На нее отводилось ограниченное число часов. Более чем скромное оборудование физического кабинета, предназначенного для нужд средней школы, не могло удовлетворить требовательного преподавателя. В довершение всего у Вавилова не было лекционного ассистента. Так что профессор должен был готовить сам демонстрации, возможные при наличных скудных средствах.

Но молодой профессор находит выход. Он не выбрасывает из программы сложных вопросов физики. Он рассказывает и зоотехникам о всех важных новых веяниях науки. Не забываются даже теория относительности и теория квантов. Для того чтобы лектора могли понять и неподготовленные слушатели, Сергей Иванович пользуется наглядными и доходчивыми образами, стараясь обходиться, где возможно, без громоздкого математического аппарата.

Н. П. Дубинин в воспоминаниях о С. И. Вавилове: «Лекции С. И. Вавилова в зоотехническом институте носили особый характер. Он хотел, чтобы его слушатели почувствовали самый дух новой науки, и излагал успехи радиотехники, теорию относительности и теорию световых квантов, избегая при этом недоступного студентам-зоотехникам сложного математического аппарата. Уже тогда я был очарован его серьезной вдумчивостью, существованием того очевидного громадного духовного мира, который скрывался за этим сдержанным, необычным обликом».

Не занятия ли в зоотехническом институте привили физическому оптику вкус к популяризации научных знаний, послужили первым стимулом к созданию им впоследствии блестящих произведений о физике, доступных всем?

На заре своей педагогической деятельности Вавилов стал применять тот прекрасный метод передачи знаний, который, опираясь на высокое уважение к слушателю, превращает освоение материала из, так сказать, пассивной процедуры в высокоактивный творческий процесс.

Делается это так. Лектор строит свою лекцию с расчетом, чтобы заставить каждого учащегося как бы самому открыть истину, прийти к ней до того, как педагог сделает должный вывод. Положительный эффект подобного приема всегда был велик. Гордое чувство удовлетворенного достоинства закрепляло в сознании студента «открытую им» истину, а умный педагог спокойно переходил к следующему вопросу.

Кто пожелал бы ознакомиться с вавиловской системой изложения сложнейших разделов физики в неподготовленной аудитории, должен прочитать изумительную работу Сергея Ивановича «Экспериментальные основания теории относительности». Написанная в 1927 году, в период его профессорства в зоотехническом институте, она представляет собой исключительное явление в педагогической популяризации знаний.

«В этой книге, — пишет автор в предисловии, — нет изложения самой теории относительности и совсем не затронут вопрос о пространстве и времени». И в то же время ни одно произведение тех лет (на русском языке, а может быть, и не только на русском) не вводило неподготовленного читателя в мир релятивизма (принципа относительности Эйнштейна) глубже и быстрее указанной работы. Ставя перед собою сравнительно скромную роль — «выяснить, насколько прочны эмпирические основания теории, а следовательно, и она сама», — книга Сергея Ивановича делала для познания теории относительности больше, чем обычные книги, те, которые не начинаются с опыта, как у Вавилова, а им оканчиваются (начинаются же с общих рассуждений).

На примере того, как легко усваивается это произведение Вавилова читателями, далекими от физики, можно лишний раз убедиться, что неискушенное сознание предпочитает путь «от конкретного к абстрактному» обратному пути. Направление «от абстрактного к конкретному» хорошо лишь там, где налицо большая подготовка.

Следуя путем «от конкретного к абстрактному», Сергей Иванович объяснял своим студентам и квантовую теорию света, и явление люминесценции. Рассуждения развивались примерно так.

Представление о свете как о квантах, то есть о совокупности не похожих ни на что частиц, пришло в науку незваным гостем. Пытливая человеческая мысль ринулась в недра квантовой теории, отчаявшись понять несколько парадоксов оптики и термодинамики. Неожиданно оказалось, что новая теория пригодна не только для разъяснения этих парадоксов. С ее помощью удалось распутать ряд запутанных вопросов физики, разобраться в сущности явлений, представлявшихся веками странными и непостижимыми…

Среди таких веками непостижимых явлений было и явление люминесценции. Его специфика, отличие от «обыкновенных» оптических процессов — отражения, преломления, рассеяния света и так далее — не только в том, что в рассматриваемом явлении проявляется квантовая структура света, но и в том, что в нем обнаруживается применимость квантовых законов к строению вещества. Зная квантовые законы, можно разобраться в явлении люминесценции.

Вывод: если б люди хорошо изучили раньше холодное свечение, поняли б его, оно могло бы послужить для них маяком в мире квантовых представлений. Век квантовой теории наступил бы не на рубеже столетий, а раньше.

Сергей Иванович с увлечением преподавал в обоих институтах. Но основной своей педагогической работой он все же считал университетскую.

Поступив немедленно после демобилизации (одновременно с зачислением в МВТУ) преподавателем в общем физическом практикуме Московского университета, Вавилов уже весной 1919 года прочел пробную лекцию и сдал магистерские экзамены. Это дало ему должность приват-доцента и возможность вести самостоятельно лекционные курсы — сперва по фотохимии, а затем по абсорбции и дисперсии света[26].

Следуя примеру П. Н. Лебедева, Сергей Иванович обобщает содержание своих выступлений, широко используя оригинальную журнальную литературу. В каждой лекции он рассказывает о новых работах, знакомит студентов с последними важнейшими достижениями науки. Хорошее знание языков — а Вавилов свободно владел немецким, английским и французским и бегло объяснялся по-итальянски и по-польски — облегчало задачу, позволяло широко и быстро знакомиться с иностранной научной литературой.

В 1928 году в Московском университете состоялся съезд советских физиков, на который были приглашены и многие выдающиеся иностранные ученые. Сергей Иванович был секретарем организационного комитета съезда и проявил немало изобретательности, чтобы ничто не мешало делу.

Год спустя, в 1929-м, Вавилова избирают заведующим кафедрой общей физики Московского университета. Одновременно он становится действительным членом Научно-исследовательского физического института при МГУ. Это событие в известном смысле явилось поворотным пунктом в жизни Сергея Ивановича. Он немедленно оставил свою работу как в Институте физики и биофизики, так и в зоотехническом институте и с головой погрузился в университетские дела.

Прежде всего Вавилов взялся за всякие организационные проблемы. Особо важно было поскорей составить точные программы и задания для занятий.

В те времена еще не существовало таких программ для высших учебных заведений, которые разрабатывались бы на некой объективной основе и являлись обязательными на кафедрах. Каждый профессор или преподаватель вел занятия по собственному плану и обладал большой свободой действия. Это относилось к профессорам, это относилось и к руководителям лабораторных и семинарских занятий.

В МГУ к тому же раньше не было особой кафедры общей физики. Лекции по общей физике читали разные профессора, и то, что читал один, отличалось от того, что читали его коллеги. Вавилов был первым заведующим первой созданной в университете кафедры общей физики.

Руководитель новой кафедры быстро подобрал хороший коллектив преподавателей и с его помощью разработал подробную программу занятий. Он проводил регулярные заседания кафедры, на которых координировалась работа преподавателей. Расширилась деятельность физического кабинета. Вавилов сам спроектировал много новых демонстрационных приборов. Составил сборник описаний задач физического практикума, улучшил его работу.

По инициативе Вавилова и преподавателя В. И. Романова было решено создать такой задачник по физике, чтобы он отвечал всем современным требованиям. При кафедре возник молодой авторский коллектив, который разработал основные принципы учебника и составил много интересных задач.

Вскоре в многотиражке появился портрет Сергея Ивановича, а под ним статья следующего содержания:

Из университетской многотиражки: «Первый профессор-ударник. Сергей Иванович Вавилов — первый ударник-профессор на физическом отделении. В 1930 году физики II курса заключили с С. И. Вавиловым договор соцсоревнования по выполнению учебно-производственных планов. Тогда еще искали новые методы работы, и Сергей Иванович явился первым застрельщиком в этом деле, дал лучший метод занятий — лабораторно-бригадной проработки.

Метод Сергея Ивановича вошел в историю физического отделения, и теперь об этом методе разговаривают как о вавиловском методе.

Тов. Вавилов не ограничивался выполнением соцдоговора с группой. Его работа в производственном совещании отделения тоже является примерной и показательной. Целый ряд ценных предложений, указаний, наглядных примеров того, как надо бороться за учебно-производственные показатели, мы с честью приписываем Сергею Ивановичу.

В летнее время Сергей Иванович провел большую работу по постановке специального и общего физпрактикумов. К началу занятий им написана лучшая программа по общей физике. А теперь пишет он 4 учебника и дал обязательство выпустить их к началу 1932 года.

Премирован тов. Вавилов на вузслете грамотой ударника, премией в 200 руб. и заграничной командировкой».

Работу по составлению учебников, однако, не удалось довести до конца в связи с избранием Вавилова в Академию наук и уходом с факультета Романова. Но рукописи остались, и много еще лет ими пользовались на кафедре в качестве учебного пособия.

У Сергея Ивановича не возникало вопроса о том, что обязан уметь студент, освоивший и сдавший предмет общей физики (включая общую и специальную физическую практику), преподававшийся на первых двух курсах. Такой студент должен был уметь: преподавать физику в средней школе; работать в качестве младшего научного сотрудника в заводской лаборатории; работать в той же должности в отраслевом научно-исследовательском институте.

Таким образом, еще не окончив университета, не пройдя и половины его полного курса, студент приобретал важные навыки, практическую специальность. Это сознание окрыляло его, наполняло горделивым чувством. Получалось так, что на старших курсах студент как бы капитально усовершенствовал свою квалификацию, фундамент же он получал уже к началу третьего курса.

Избрание Сергея Ивановича профессором Московского университета совпало с первым годом первой пятилетки. Несмотря на свою молодость, Вавилов уже считался выдающимся физиком, а его постоянные выступления за связь теории и жизни были общеизвестны. Избрание Вавилова усилило ряды талантливых и прогрессивных профессоров, боровшихся за то, чтобы университеты — эти некогда оторванные от производства организации — могли бы теперь послужить производству, помочь решению грандиозных задач индустриализации.

Требование лучше знать жизнь, не отрываться от действительности, не «возноситься» над людьми только потому, что вызубрил несколько полезных и сложных формул, с особой силой ворвалось тогда в высшие школы.

Контакты теории с жизнью, с практикой Вавилов укреплял различными путями. Например, тем, что привлекал к преподаванию виднейших представителей производства. Так, он пригласил для чтения лекций в университет профессора А. П. Иванова, бывшего тогда главным инженером Московского электролампового завода. В цехах и лабораториях завода студенты, специализировавшиеся по оптике и электронике, проходили по инициативе Сергея Ивановича производственную практику. Организовал Вавилов в университете также лекции профессоров и научных сотрудников Всесоюзного электротехнического института: С. И. Майзеля, П. В. Тимофеева и других. В лабораториях этого института студенты-физики также проходили производственную практику.

Заведуя кафедрой в университете, Сергей Иванович получил прекрасную возможность привлекать к исследовательской работе наиболее способных студентов старших курсов. Требовательность к подопечным сочеталась с высокой доброжелательностью; нетерпимый к недостаткам усердия со стороны отдельных лиц, Вавилов охотно прощал за промах тем, у кого это получалось случайно и кто искренне свой промах переживал.

И. М. Франк в воспоминаниях о С. И. Вавилове: «У него была замечательная черта, сохранившаяся до конца жизни. Со всеми, даже с начинающими студентами, он всегда беседовал как с равными. Он рассказывал о новостях науки, говорил о проблемах физики, которые его волнуют. Делился воспоминаниями о различных физиках и сведениями по истории физики. Приходя, он всегда спрашивал, что у вас нового, и обсуждение сделанного было, по существу, отчетом в форме необычайно доброжелательной, но, по существу, очень требовательной. Требовательность проявлялась в том, что надо было говорить не о работе вообще и не только о планах на будущее, а совершенно конкретно о том, что было сделано сегодня или вчера. И так как вопрос «что у вас нового» повторялся систематически при каждой встрече, отделаться общими фразами было просто невозможно. При этом можно было не бояться говорить, что то или иное из работы не получилось, причем зачастую по какому-либо собственному глупому недосмотру или ошибке, или о том, что что-то сломалось или, еще хуже, что что-то сам сломал. Увидев огорченное лицо, Сергей Иванович не только не распекал, а обычно даже утешал, рассказывая с искоркой юмора в глазах какую-либо историю из своего опыта: «Ну ничего, а вот у меня была…» и т. д. После этого сразу проходило ощущение собственной неумелости и глупости. Вместе с тем человеку, не работающему в полную силу и особенно недобросовестному, при таком почти ежедневном отчете было совершенно невозможно не быть разоблаченным».

Здесь, в университете, выросли первые ученики Вавилова, «здесь создалась его школа, представители которой нам хорошо известны, — писал Т. П. Кравец, — они дружной семьей окружали своего учителя до последнего дня его жизни».

Многие воспитанные Вавиловым студенты его университетского периода стали потом известными физиками: И. М. Франк и Б. Я. Свешников, Е. М. Брумберг и В. В. Антонов-Романовский, В. С. Фурсов и А. А. Шишловский.

Все они начинали свою научную деятельность в лаборатории Вавилова, под его руководством, с его участием. Со студентом Франком, ныне академиком, лауреатом Ленинской и Нобелевской премий, Сергей Иванович исследовал и определил величину сферы действия процессов тушения люминесценции растворов посторонними веществами. С Шишловским, впоследствии профессором, долгое время руководившим оптическими исследованиями в Киевском университете, изучал длительное свечение органических фосфоров. Со Свешниковым, тоже потом профессором, руководителем крупной лаборатории люминесценции в Государственном оптическом институте в Ленинграде, изучал явления тушения люминесценции посторонними примесями.

Вавилов любил свой родной университет и сохранял с ним тесную связь в течение всей своей жизни. Но непосредственно преподавать в нем Сергею Ивановичу пришлось недолго — всего три года.

«Чтение лекций, — писал Кравец, — представляло для Сергея Ивановича всегда некоторый физический труд, так как при слабости его легких требовало значительного напряжения. Во всяком случае, он, будучи прекрасным лектором, самым процессом чтения тяготился. Может быть, этому обстоятельству следует отчасти приписать то, что уже с 1932 года он совершенно оставил преподавание, шедшее у него с таким успехом, и дальнейшим методом своей работы с молодежью сделал исключительно научное руководство лабораторией».

Но скорей всего основной причиной прекращения Вавиловым преподавательской работы было другое. В 1931 году (31 января) Сергея Ивановича избрали членом-корреспондентом Академии наук СССР, а еще годом позже (29 марта 1932 года) — действительным ее членом. Второе избрание немедленно повлекло за собой изменение общественного положения ученого, нагрузило его новыми обязанностями.

Надо было от чего-то отказаться. Вавилов отказался от преподавания.

Глава 6. Летний отдых

В этой книге уже неоднократно приводились отрывки из устных и письменных воспоминаний о Сергее Ивановиче Вавилове, будут приводиться они и в следующих главах. Драгоценна любая новая черточка, добавляемая к облику Вавилова — человека и ученого. Естественно, что особую значимость представляют свидетельства и сведения, полученные от самых близких Сергею Ивановичу людей.

«…В чудный июльский день сидим на меже около пыльной летней дороги. Над нами только небо да рожь, уже заколосившаяся. Сергей Иванович держит осторожно колос на высоком стебельке. Усатый золотой колос на синеве июльского побледневшего от зноя неба. Колос легко движется в воздухе, а Сергей Иванович внимательно смотрит на его движение и ясно видит, догадывается и знает что-то об этом колебании, только прекрасном для меня, а для него полном еще и глубокого значения и радостного удивления, потому что он улыбается».

Эти строки переносят нас в обстановку несколько неожиданную, по крайней мере далекую от той, в которой читатель уже привык видеть Вавилова-ученого. Они принадлежат Ольге Михайловне и взяты из ее воспоминаний о муже, над которыми она работает в течение многих лет. Ольга Михайловна любезно согласилась предоставить для этой книги несколько фрагментов из своих воспоминаний. Мы увидим Вавилова в кругу семьи, в часы отдыха, увидим его в поле и на лесной тропе, в его интимных привычках и склонностях, в тихом раздумье и в непосредственном отклике на явления природы.

ВНЕШНОСТЬ. Сергей Иванович был среднего роста, в плечах неширок, но прям, что придавало фигуре его подтянутый и бодрый вид.

Держался прямо, ходил быстро и легко.

Прекрасная форма головы скрадывала ее величину. Волосы, темные, тонкие, очень мягкие, он расчесывал на прямой пробор, и, поднимаясь, они как бы окрыляли его высокий лоб.

У него был крупный характерный рот, короткий по лицу нос и великолепные черные глаза без всякой «восточной неги» и поволок, чудесные русские черные глава, исполненные разума и доброты.

Если он замечал, что взор собеседника задерживается на них, он отводил взгляд или закрывал глаза темными ресницами.

Был он смугл и сильно загорал летом.

Голос очень низкий, очень мягкого звучания. Лицо его, строгое, глубоко серьезное и сосредоточенное, легко и часто раскрывалось в улыбке. Смеяться он мог до слез. Умел и любил шутить и острить.

Когда в 1925–1926 годах мы были в Крыму в Мисхоре, наша хозяйка татарка как-то отозвала меня таинственно и, предостерегающе погрозив пальцем, сказала: «Оля! Не верь ему. Он наш!» То есть что он не русский, а татарин. Вообще же лицо его принадлежало к числу тех, в течение жизни над которыми идет постоянная работа духа, того внутреннего напряжения энергии, которая, подобно резцу ваятеля, вытачивает, лепит, строит.

Если взять юношеские портреты Сергея Ивановича, черты его лица того времени резко разнятся с чертами лица зрелых лет. И не потому только, что, конечно, всякое лицо изменяется в течение жизни.

Вот портрет его 24–25 лет. Довольно низкий лоб, полные бесформенные щеки, довольно грубый, маловыразительный рот. Только глаза сильные и сосредоточенные. Портреты его в зрелом возрасте носят совершенно иной характер.

Лоб вырос чуть ли не вдвое, выточились очертания носа, исчезла детская округлость лица, и рот принял выражение энергии и твердой решимости.

Характерны аскетизм и умеренность всего его физического существа.

В молодости, когда бывали мы летом в Крыму и мне ужасными усилиями удавалось уговорить его носить белые легкие рубашки и белые брюки, его высокая легкая фигура, его огромные черные глаза на круглой красиво очерченной голове напоминали мне персонажей «небесного воинства» под святыми стягами и хоругвями на старинных русских иконах. Конечно, к этому воинству духа он и принадлежал, и именно к русскому. Без блеска и грома рыцарей духа, воспетых Гейне в его «Горной идиллии».

У меня вызывало улыбку его отношение к собственному физическому существу — снисходительно-неприязненное, и я говорила ему, что он вроде Франциска Ассизского: тело свое ощущает как «брата моего осла». И мне всегда казалось, что он почти бестелесный, так мало в его жизни значила та тягость, которой было для него его физическое существо. Он как бы только терпел его, не испытывая от него никакой радости. После совершенно беспримерного труда он мгновенно погружался в детский спокойный сон и сны видел архитектурные и музыкальные.

Он вырос в доме, где хозяйство было поставлено на широкую ногу, с запасами, с годовыми и семейными праздниками. Но после четырехлетнего пребывания на фронте войны 1914 года и революции, испытав на себе всю тяжесть быта того времени, то есть холод и порой полуголодное существование, он необычайно легко мирился со всем этим и сохранил высокое равнодушие «к земным благам» на всю жизнь и на те времена, когда пришли в его жизнь большие материальные возможности.

В своей одежде держался правила: ни в коем случае не выделяться, но иметь опрятный и корректный вид.

Помню, как вернулся он из Италии в прекрасном синем, по тогдашней моде сшитом костюме. Он был в нем очень элегантен, но, к ужасу моему, сейчас же с Пресни был вызван старинный их портной, который совершенно испортил все так, что и носить его было невозможно. На мои стоны и жалобы Сергей Иванович безжалостно отвечал: «Да что я, опереточный премьер, что ли?» Тем дело и кончилось.

К сожалению, должна сказать, что все, кто делал его портреты, награждали его цветными галстуками, которых он терпеть не мог и никогда не носил.

И прекрасный по сходству портрет В. Космина украшен тоже голубым галстуком. Художник на мое замечание ответил, что ему нужно хоть где-то дать цветное пятно. Я уступила.

ОТДЫХ В ДЕРЕВНЕ. Несколько лет подряд мы снимали дачи (вернее, избы в деревне) в районе Барвихи, то в селе Ильинском, то в Кальчуге, и, наконец, в очаровательном Малом Цареве, деревушке над маленьким ручьем, обросшим папоротниками, колокольчиками и кустами черной смородины. Огромные ивы купали плакучие ветви в быстрых его струях. Маленький наш Викуша пропадал там с удочками целыми часами.

Домик наш стоял вне деревни, хуторком, на небольшом плато над оврагом.

Приезжали обычно в последних числах мая. С волнением ждали одного из сыновей нашей хозяйки, огромного добродушного Паню с возом. Перед отъездом начиналась страшная суета. В ящики с сеном укладывалась посуда и лампы. Корзины, чемоданы, подушки — все убегало со своих привычных мест и наполняло комнаты невообразимым беспорядком.

Наконец наступал счастливый час. Паня на нагруженном возу отъезжал от нашего крыльца, а мы отправлялись на вокзал. Обычно в нашу компанию входил или котенок, или щегол, развлекавший нас зимой. Переезд их с нами сопровождался большим волнением, так как на право их поездки надо взять билеты.

По выходе из вагона, где мы с восторгом ощущали наш отъезд из Москвы и погружение в тихий и добрый зеленый мир, в первой роще на нашем пути мы выпускали птичку на волю.

Непередаваемо чувство истинного блаженства (именно блаженства), когда после заправки ламп и устройства постелей мы усаживались на маленькой террасе пить чай с чудным деревенским молоком из озябших в подполье глиняных крынок. Из самовара столбом валил пар. Ветерок относил его в сторону и трепал нам волосы.

Сергей Иванович приезжал к нам в уже устроенный дом. Я старалась освободить его от всего, что касалось домашнего хозяйства. К счастью, он всегда был доволен и домом, и его окрестностями. Он обязательно по карте знакомился с местностью, и мы в течение лета очень много гуляли с ним.

Летом в жизнь Сергея Ивановича в какой-то мере врывались дети. У нас часто и подолгу гостил Олег, красивый черноглазый мальчик, сын Николая Ивановича от первого брака. В Цареве Вика уже читал по-немецки, и Сергей Иванович раздобыл у букинистов «Веселые рассказы» Буша с чудесными иллюстрациями того же автора. Регулярно по вечерам он усаживал Вику за эти забавные книжки и от души веселился вместе с ним над историями и картинками, исполненными невинного юмора и наблюдательности.

Когда приезжал Олег, то обычно после ужина на маленькой терраске начинался концерт. Сергей Иванович учил мальчиков петь:

Или:

Или арию из «Мартина Рудокопа»:

Я умирала со смеху, слушая это чудное трио.

Иногда появлялась у нас и маленькая Туся Пахомова, моя племянница, и мы шли за земляникой куда-нибудь на просеку или вырубку. В эту охоту Сергей Иванович вносил страшный азарт, так как предлагал считать, сколько кто ягод соберет. В лесу поднималась оживленная перекличка, и каждый считал громко свои достижения, и все старались перещеголять друг друга, спорили, пищали и хохотали на все голоса.

У Туси была крошечная такса Топси. Черные, свисающие по бокам мордочки ушки и смиренное выражение ее «лица» делали ее похожей на монашку, и Сергей Иванович звал ее «мать Топсия». На прогулках он часто вел ее на сворке, и забавно было смотреть, как она ныряла среди цветущего клевера, а Сергей Иванович добродушно о чем-то беседовал с ней.

24 июля, в день моих именин, наша Амальхен создавала дивные пироги. Один из них, называемый «Альт дейч», Сергей Иванович называл «пирогом имени Дюрера» и очень одобрял его. В это время обычно поспевают вишни, малина и абрикосы, что и было прекрасным добавлением к нашему скромному торжеству.

В это лето Сергей Ивапович начал писать биографию Ньютона и засиживался за работой до поздней ночи. За лето он загорел и при ходьбе дышал легче, хотя продолжал много курить, что при его эмфиземе и общей слабости легких было очень некстати.

ДЕДУШКА «БЕЗ ОДНОЙ ОСЬМОЙ». Недалеко от большой избы, где жили мы, на косогорчике, стоял маленький сарай, в котором жил муж нашей хозяйки. Это был в прошлом известный по всей округе самоварник (чинил и лудил самовары), красивый седой старик, горчайший пьяница. Из-за него наша хозяйка долго не соглашалась сдать нам дачу. Дело в том, что дедушка часто шумел, распевая удалые песни, церковные песнопения или просто азартно беседуя сам с собой. Причем постоянной его поговоркой было: «Я без одной осьмой всем немцам уши оборву!», которая в его рассказах вплеталась очень обильно, создавая совершенно уморительные речевые ситуации.

Дедушка обожал Сергея Ивановича.

Маленький рабочий стол Сергея Ивановича стоял у окна. Дедушка подходил к окну, опирался о подоконник обоими локтями, на них раскладывал свою огромную бородищу и молча с любовью созерцал Сергея Ивановича. Потом начинался разговор: «Все пишете, Сергей Иванович?» — «Пишу». — «Так, значит, пишете, без одной осьмой?» — «Все пишу». Дедушка протягивал через окно руку, Сергей Иванович подавал ему свою, вставал и в этом положении терпеливо выслушивал рассказы в таком роде: «Вы, без одной осьмой, не смотрите на меня! Что я? Что я теперь? А был я старостой, без одной осьмой. Вот в Ильинское их императорское величество прибыли, на мне сапоги лаковые, брюки плисовые, на груди медаль, без одной осьмой. Выстроили нас, старост. Все как один молчат! Конечно, император высказался: «Здорово, ребята!» Все как один молчат, значит, с перепугу. Я, без одной осьмой, выступил: «Ваше императорское величество, без одной осьмой, не сумлевайтесь! Мы Расею не выдадим!» Во время таких диалогов Дарья Ивановна, наша хозяйка, громыхая ведрами в сенях, говорила мне: «Никак старик опять Сергея Ивановича одолевает? Ну что ты будешь делать?» И, обращаясь к дедушке, кричала: «Отец, ну что к Сергею Ивановичу привязался? Иди сюда, помоги мне воду донести!» Дедушка с явным неудовольствием покорялся жене, а потом из сарая слышалось: «Я, без одной осьмой, всем немцам уши оборву!»

СВЕТЛЯКИ. Живем под Звенигородом на даче. Красивые скаты к реке, заросшие дубами и орешником. Заливные луга (не было еще Можайской плотины), полные высокой травой и даже редкими в Подмосковье цветами: пушистая белая гвоздика, мыльник и у болотец дикие желтые ирисы, «касатики». Сырые овраги, где в жару стоит прохлада и тень, а ночью светятся светляки. Они загораются в начале июля (Иванов день), как бы выражая избыток жизни земли, предельного ее напряжения.

Все, все цветет, поет, спешит и горит тонким и таинственным пламенем жизни. Мир в это время представляется мне пылающим голубым необъятным костром. Мне кажется, что я слышу его звуки, звуки легкого горения и потрескивания искр.

Тут и загораются светляки.

Так вот, вспоминаю, как самозабвенно, весело и озабоченно устремлялся Сергей Иванович во тьму кромешную оврагов за этими светляками. Густые заросли орешника, пни, гнилушки и коряги. Ветви хватали нас за волосы и били по лицу, и часто мы ползли на четвереньках за этими волшебными зелеными огоньками, притаившимися то ли на земле, то ли на папоротниках, то ли на пне. Во тьме не разберешь. Надо было видеть, с каким счастливым и хитрым видом рассматривал Сергей Иванович дома свою добычу. Потом мы сажали их в траву около дома, и каждый вечер Сергей Иванович осведомлялся, целы ли они, и даже пересчитывал их заботливо. Часть добычи увозилась в Москву, в лабораторию.

Свет — проявление вне человека легчайшей энергии, самой чистой, тонкой и прекрасной. Таково его, Сергея Ивановича, восприятие живого света. Он не терпел даже ночью полной темноты. Обязательно половина занавески на окне должна быть открыта. На ночном столике стояла лампа с самосветящимся абажуром, а около нее лежали кусочки какого-то вещества, светящегося ночью.

Сергей Иванович любил игру света в стекле, и на его письменном столе стояли искристые старинные печати, большие и маленькие, граненные из горного хрусталя.

Он любовался зловещей красотой восходящей луны, когда она огромным багровым диском плыла над мглистой далью горизонта. Смотрел на зеленые осенние звезды в нашем увядающем зябком саду, где мы любили ходить перед ночью. Любил свечки на новогодней елке. Лучистые цветные стеариновые свечки светом своим уводили нас в даль детства. Требовал, чтобы в доме всегда были свечи и подсвечники, и был явно доволен, если гроза порвет провода и мы сидим при свечах.

Был очень доволен, обнаружив, что дрова, сложенные у нас в передней (во время эвакуации), ночью светятся. Очень долго кусочек светящегося полена лежал у него на столе.

ЧЕРТОПОЛОХ. Дорога к роще идет полем, иногда спускаясь в неглубокие лощинки. Я выбираю запутавшиеся в высокой траве лесные колокольчики и среди них вижу яркую малиновую колючую шапку чертополоха.

«Тут чертополох!» — кричу я, зная, что Сергей Иванович любит этот цветок. «Бери, бери его!» — отвечает он мне, подходит сам и, вынув носовой платок, осторожно, чтобы не уколоться, ломает гордый цветок. На мой вопрос, почему же ему так он нравится, Сергей Иванович, пристально посмотрев мне в глаза, отвечает, улыбаясь: «Оттого, что чертями пахнет!» Подняв цветущую, в колючках ветку с растопыренными лапчатыми листьями, увенчанную малиновой чалмой, он, любуясь ею, говорит: «Великолепный цветок!» И смеется.

Русские сказки, набитые чертями, Мефистофель из заветного «Фауста» с невидимой свитой «нечистой силы», Дюрер, у которого дьявол тащится за рыцарем в броне, — все это стихия, занимавшая воображение Сергея Ивановича. Он любил рисовать чертей с извилистыми туловищами и длинными хвостами, Бабу Ягу в ступе и Кота в сапогах, в берете с пером и торчащими усами.

«Нечистая сила», знахарство, алхимия — из этой темной руды человеческого воображения в великих муках и трудах зарождалась наука. Первые ее сны и предчувствия воплощались в этих фантастических образах.

Колдовство, ведовство — дерзкие, но бессильные попытки повелевать силами природы, ощущаемыми как нечто «злое» и «нечистое» (потому что они часто приносили человеку лишения и боль, а он был бессилен перед ними), — как любил Сергей Иванович обращаться к этим древним путям человеческого миропонимания и миропознания! Он любил сказки с их жутью и проказами чертей, с оборотнями и волшебствами. В его библиотеке 40 томов разных изданий Фауста, Парацельс, Буше-Леклерк «Истолкование чудесного (ведовство) в античном мире», Забылин «Русский народ, его обычаи, предания, суеверия и поэзия».