Свет — мое призвание

Человек, увидевший световые кванты

Неудачи не остановили Вавилова. Он все более утверждался в мысли о справедливости квантовых представлений о природе света. Наконец он решил разработать экспериментальный метод, позволяющий непосредственно наблюдать за поведением отдельных фотонов. При постановке столь тонких опытов необходимо работать со световыми потоками предельно малых интенсивностей, а следовательно, и с очень чувствительным приемником света, способным регистрировать весьма малое число световых квантов. В 1929 году в Институте физики и биофизики Сергей Иванович вместе с Верой Ивановной Федоровой осуществил первые обнадеживающие эксперименты. Однако у него не было уверенности, что обнаруженный небольшой эффект не вызывался, по его словам, психофизиологическими факторами.

В 1932 году увидела свет работа немецких исследователей Р. Барнеса и М. Черни, которые попытались обнаружить квантовые флуктуации света (случайные отклонения числа испущенных световых квантов от среднего значения числа квантов в световом потоке) при помощи адаптированного в темноте человеческого глаза. Вавилов заметил много слабых мест в этой работе. Он провел серию классических опытов по изучению квантовых флуктуаций света. Работы были выполнены совместно с Евгением Михайловичем Брумбергом, Зиновием Михайловичем Свердловым, Татьяной Владимировной Тимофеевой и К. В. Паншиным. Они продолжались на протяжении десяти лет в Государственном оптическом институте и были завершены в 1942 году.

Идея опытов сводилась к следующему. У основных оптических характеристик предельно слабых световых потоков (освещенность, сила света и т. д.) со временем должны наблюдаться случайные (статистические) флуктуации значений. Такие флуктуации имеют квантовую природу. Они вызываются тем, что каждая молекула излучающего вещества светится спонтанно, независимо от остальных молекул. Это должно приводить к квантовым временным флуктуациям основных характеристик свечения. Такие флуктуации не зависят от температуры и проявляются при любом сильном ослаблении энергии исследуемого светового потока, когда в приемник попадает лишь очень небольшое число квантов в единицу времени.

Вавилову понравилась идея использования глаза, адаптированного к темноте, в качестве приемника света. По существу, еще в 1920 году он сам применил эту идею в экспериментах по проверке выполнимости закона Бугера для предельно слабых световых потоков. Человеческий глаз — сложный приемник света. Его светочувствительными элементами служат палочки и колбочки. Палочки, располагаясь в периферической части сетчатки глаза, обладают большой чувствительностью, но не реагируют на различия в цвете. Колбочки находятся в основной, центральной, части сетчатки. Они менее чувствительны, зато позволяют различать цвета и мелкие детали рассматриваемого предмета. Благодаря всему этому человек обладает двумя зрениями — дневным, или основным (связанным с раздражением колбочек), и сумеречным, или периферическим (связанным с раздражением палочек).

В обычных условиях действуют одновременно оба зрения. Однако при малых освещенностях световое ощущение получается за счет сумеречного зрения. При переходе от значительных интенсивностей света к слабым глаз вначале ничего не видит. Однако со временем (через 30 — 40 минут) он начинает различать предметы — включается сумеречное зрение. Такой процесс принято называть адаптацией. Чувствительность полностью адаптированного глаза очень велика. Это и натолкнуло Р. Барнеса и М. Черни на мысль использовать глаз в своих опытах. Но результаты этих опытов оказались ошибочными. По словам Вавилова, они проводились так, что никак нельзя было избежать многочисленных сильных физиологических флуктуаций, хорошо известных физиологам и психологам и гораздо более заметных и резких, чем ожидаемые квантовые флуктуации.

Сергей Иванович в деталях проанализировал причины ошибок этих исследований, оценил правильность их замысла и решил воспользоваться им для постановки собственных экспериментов. Пригодился опыт работы со световыми потоками малых интенсивностей, который он приобрел при проверке выполнимости закона Бугера. Как и тогда, ученый воспользовался высокой чувствительностью глаза, по его словам, самого тонкого, универсального и могучего органа чувств, обладающего способностью получать световое впечатление при попадании в него за время около 0,1 секунды лишь нескольких десятков световых квантов. Не менее важно было и другое свойство глаза, выражающееся в существовании у него порога зрительного ощущения. Если число квантов, попавших на сетчатку, будет меньше числа квантов, соответствующего этому порогу, то глаз не увидит вспышки. Вавилов предложил метод исследований квантовых флуктуаций света, основанный именно на этом свойстве глаза.

При создании предельно малого светового потока, лежащего около порога зрительного ощущения глаза, следует ожидать флуктуаций интенсивностей этого потока, обусловленных квантовой природой света. Флуктуации должны происходить в соответствии с законами статистической физики и регистрироваться глазом.

Если число квантов, попавших на сетчатку, будет превышать порог зрительного ощущения, наблюдатель увидит световую вспышку. В следующий момент, вследствие существования флуктуаций, число квантов может оказаться меньше этого порога, и глаз не заметит светового сигнала. Зная число посланных сигналов и число зарегистрированных вспышек, можно установить число световых импульсов, которые содержали количество квантов, недостаточное для создания светового восприятия глаза.

Вавилов пришел к выводу, что для успешного проведения экспериментов необходимо обеспечить кратковременность световых вспышек, небольшие размеры изображения на сетчатке глаза и строгую фиксацию его положения. Дело в том, что при непрерывном световом потоке квантовые флуктуации усредняются, и их нельзя обнаружить, так как зрительное впечатление сохраняется глазом в течение относительно большого времени. Кроме того, различные участки сетчатки обладают разной чувствительностью, что может вызвать значительные флуктуации светового восприятия, не имеющие ничего общего с флуктуациями числа квантов, попадающих в глаз.

Поэтому необходима четкая фиксация небольшого участка сетчатки глаза, на который попадает световой поток. Когда это условие строго соблюдено, а интенсивность светового потока лежит около порога зрительного ощущения глаза, то квантовые флуктуации должны наблюдаться, если верны представления о квантовой природе света. С учетом всех этих требований Вавилов и построил свою установку.

Опыты по изучению квантовых флуктуаций света были осуществлены с величайшей тщательностью. В течение десяти лет сам Сергей Иванович и более десяти наблюдателей произвели сотни серий измерений. Обработка огромного экспериментального материала, осуществленная методами теории вероятностей, показала, что световые флуктуации имеют статистический характер и, следовательно, вызваны случайными флуктуациями числа фотонов около некоторого порогового значения, определяемого порогом зрительного ощущения глаза. Охота за фотонами увенчалась успехом. Квантовая природа света получила убедительное экспериментальное подтверждение, а Сергей Иванович Вавилов стал первым человеком, которому удалось «увидеть» световые кванты.

Исследования квантовых флуктуаций света привели Вавилова к важным выводам и в области физиологической оптики. Всю свою жизнь Сергей Иванович придавал большое значение этому разделу науки. По его инициативе с 1934 года начали созываться всесоюзные совещания по физиологической оптике, объединившие советских специалистов, работающих в этой области.

На 2-м Всесоюзном совещании, которое проходило в Москве в 1946 году под председательством Сергея Ивановича, он говорил, что учение о глазе составляет основную часть оптики, поэтому без преувеличения можно заявить, что теоретической основой оптики, наряду с физическим учением о свете, является прежде всего физиологическая оптика. На нее должно быть обращено особое внимание, и для успешного решения ее проблем необходимы усилия не только физиологов и врачей-окулистов, но и физиков.

В 1940 году по предложению Вавилова был учрежден специальный печатный орган «Проблемы физиологической оптики», выходящий отдельными сборниками. Сергей Иванович многие годы входил в состав редакционной коллегии этих сборников. В 1944 году при непосредственном участии Вавилова при отделении биологических наук Академии наук СССР была создана комиссия для координации исследований в области физиологической оптики.

Исследования квантовых флуктуаций света оказались особенно важны для понимания физиологии глаза. Сергеем Ивановичем было обнаружено новое весьма тонкое средство для исследования недр глаза, позволяющее определять пороговую чувствительность глаза для различных длин волн падающего света. Было установлено, что для зеленых лучей с длинами волн от 500 до 550 нанометров (1 нанометр равняется 10e-9 метра) число световых квантов, соответствующих пороговому значению зрительного восприятия, у разных людей колеблется от 8 до 47 (в среднем 20), а число падающих при этом на сетчатку глаза световых квантов варьируется от 108 до 335. Эти цифры указывают на то, что значительная часть падающих квантов поглощается хрусталиком глаза и не доходит до его сетчатки.

Метод Вавилова открыл возможность исследования прозрачности глазных сред по отношению к световым лучам различных длин волн. Сергей Иванович установил новое свойство глаза. Он показал, что у глаза, помимо известного максимума чувствительности в видимой области спектра (около 500 нанометров), есть и второй максимум чувствительности —в ближней ультрафиолетовой области (около 380 нанометров). Малая чувствительность глаза в этой части спектра вызвана тем, что хрусталик играет роль светофильтра, значительно ослабляющего коротковолновую часть спектра излучения и предохраняющего от его пагубного действия сетчатку глаза. Существование второго максимума чувствительности у глаза было позднее подтверждено и другими опытами.

Работы Вавилова по квантовым флуктуациям света привлекли к себе внимание научного мира. Академик Дмитрий Сергеевич Рождественский заявил, что эти исследования являются исключительно принципиальными и важными, и он высоко ценит их. Опыты Вавилова стимулировали развитие ряда важных научных работ. Так, в 1943 году академик Александр Алексеевич Лебедев выказал предположение о том, что разрешающая способность глаза и других зрительных устройств (способность видеть мелкие детали наблюдаемого предмета) при регистрации слабых световых потоков должна ограничиваться их квантовыми флуктуациями. В работах советских физиков Андрея Владимировича Луизова и Сергея Осиповича Майзеля была доказана плодотворность этой идеи.

Исследования Вавилова вызвали большой интерес и за рубежом, послужив отправным пунктом для ряда работ в разных странах. Так, в 1941 году американские физиологи С. Гехт, С. Шлер и М. Пиррен провели опыты, в которых использовали вавиловскую методику. Однако они вначале не ссылались на Вавилова, а позже умышленно искажали смысл его опытов. В монографии «Микроструктура света» С. И. Вавилов показал полную несостоятельность американских авторов. Их работы оказались повторением давно опубликованных результатов Сергея Ивановича в худшем варианте.

В 1944 году появилась работа голландского физика Альберта Якоба Иозефа Ван дер Вельдена, который через двенадцать лет после Вавилова «открыл» метод квантовых флуктуаций. Однако оказалось, что результаты Ван дер Вельдена и более поздние опыты М. Боумана не согласуются ни с данными С. И. Вавилова, ни с данными С. Гехта.

После того как было установлено существование квантовых флуктуаций света, Сергей Иванович сделал попытку обнаружить квантовые свойства в тех световых явлениях, которые считались типично волновыми. Прежде всего он изучил квантовые флуктуации в когерентных световых пучках. В 1934 году совместно с Е. М. Брумбергом он исследовал интерференцию света при предельно малых интенсивностях интерферирующих лучей.

Обычно явления интерференции изучались при взаимодействии когерентных световых потоков, интенсивность которых была достаточно велика. В этих случаях наблюдалась стабильная интерференционная картина. Чередование светлых и темных полос в ней определялось соотношением фаз интерферирующих световых пучков, зависящим от точки наблюдения.

Иначе обстоит дело при проявлении у интерферирующих пучков квантовых свойств. В места темных полос интерференционной картины световые кванты не попадают. Светлые полосы при предельно малых интенсивностях интерферирующих световых потоков в разные моменты времени обладают различной интенсивностью. Появление флуктуаций интенсивностей светлых полос вызывается флуктуациями числа квантов в интерферирующих световых пучках.

С. И. Вавилову и Е. М. Брумбергу удалось обнаружить эти эффекты. Темные полосы интерференционной картины не испытывали изменений, в то время как в светлых полосах отчетливо проявлялись беспорядочные флуктуации интенсивности. Таким образом, было доказано, что даже в типично волновых процессах можно обнаружить квантовые свойства. Единство волновых и квантовых свойств света (так называемый корпускулярно-волновой дуализм) было продемонстрировано с большой убедительностью.

Вавилов осуществил и еще один опыт по исследованию относительных флуктуаций в когерентных световых пучках. Он направлял пучок зеленого естественного света на бипризму Френеля — оптическое устройство, в свое время предложенное французским физиком Огюстеном Жаном Френелем и состоящее из двух призм с малыми преломляющими углами, сложенных основаниями по отношению друг к другу. Бипризма Френеля используется для получения когерентных световых пучков в интерференционных опытах.

Преломляющее ребро бипризмы в эксперименте Вавилова было расположено горизонтально. В поле зрения оказывалось два симметрично расположенных когерентных зеленых пятна. Сергей Иванович писал, что при достижении пороговой мощности оба пятна флуктуировали одно относительно другого и весьма редко были видны в одно и то же время. Это явление независимых относительных колебаний когерентных лучей имеет катастрофическое значение для волновой теории, если пытаться ее защищать и в данном случае.

Аналогичные результаты Вавилов получил и в опытах с призмой Волластона — поляризационной призмой, предложенной английским ученым Ульямом Хайтом Волластоном и состоящей из двух прямоугольных призм из исландского шпата. Проходя через нее, естественный луч делится на два плоскополяризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях луча, которые по выходе из призмы распространяются под одинаковыми углами по отношению к направлению естественного луча. Через призму пропускался зеленый естественный пучок света. На выходе получалось два поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях световых пучка. Они давали два зеленых пятна, которые флуктуировали независимо друг от друга.

С помощью аналогичных опытов было бы можно обнаружить квантовые явления и в другом типично волновом процессе — в дифракции света — в явлениях, наблюдающихся при прохождении света мимо резких краев непрозрачных или прозрачных тел или сквозь узкие отверстия, отчего нарушается прямолинейность распространения света и наблюдается отклонение от законов геометрической оптики.

Однако, по мнению Сергея Ивановича, в обнаружении квантовых явлений в дифракции не было необходимости, потому что они вытекали из установленного и проверенного им на опытах флуктуационного принципа, который он сформулировал так: «Каждый изолированный каким угодно способом световой пучок при достаточно малой мощности проявляет флуктуации интенсивности, происходящие совершенно самостоятельно и независимо от колебаний в каком-либо другом пучке».

Работы С. И. Вавилова по изучению квантовых флуктуаций света, осуществленные в тридцатые годы, поражают остроумием, тщательностью и огромным экспериментальным мастерством. В то время не было приборов, чувствительностью превосходящих человеческий глаз, таких, как современные фотоэлектронные умножители, которые являются гораздо более чувствительными, чем глаз, приемниками света во всех диапазонах оптических частот (с помощью подобных приборов квантовые флуктуации света могут наблюдаться без особого труда). Однако найденные Вавиловым закономерности не устарели, они блестяще подтверждаются и при пользовании современной аппаратурой. В частности, в конце пятидесятых годов профессор Сергей Федорович Родионов распространил эти закономерности на ультрафиолетовую и рентгеновскую области спектра.

Работы Вавилова по квантовым флуктуациям света получили всемирную известность. В 1943 году за исследования в области квантовых флуктуаций света и цикл работ в области молекулярной люминесценции Сергей Иванович был удостоен Государственной премии СССР.