«Но разве это возможно? — звучал другой, скептический голос из глубины сознания. — Наш глаз привык к огромным световым потокам; к нему со всех предметов, которые он видит, устремлены лавины квантов. Как различит он колебания десятков и даже единиц фотонов?»
«Глаз человека, — упорствовал первый голос, — одно из чудес природы. Пока он самый чувствительный в мире оптический измерительный прибор. Ни один лабораторный инструмент не доведен еще до чувствительности и устойчивости, необходимых при исследовании флуктуации света. Но глаз пригоден для этой цели».
С. И. Вавилов твердо решил «увидеть кванты». Это был очень смелый, чтобы не сказать — неосуществимый, замысел. Почти никто не верил в возможность визуально обнаружить прерывную структуру света. Но ученый-оптик упорно шел к намеченной цели. Исследования, установившие нарушение закона Бугера при поглощении света урановым стеклом, а также общие успехи квантовой теории постепенно сделали Вавилова страстным приверженцем новых идей.
Сергей Иванович не мог успокоиться, не получив наглядных представлений о действии отдельных квантов света. А для этого надо было как-то проследить их изолированное действие.
Чуть ли не на протяжении всей своей жизни. Сергей Иванович не уставал придумывать все новые способы подтверждения квантовой природы света.
В один прекрасный день (это было в 1932 году), перелистывая последний номер немецкого физического журнала «Zeitschrift für Physik», Вавилов натолкнулся в нем на статью двух исследователей Р. Б. Барнеса и М. Черни. Авторы высказывали мысли, созвучные с теми, что волновали самого Сергея Ивановича. Они тоже утверждали, что квантовые флуктуации света можно увидеть, при помощи человеческого глаза, если предварительно его хорошо адаптировать на темноту. Авторы не ограничивались идеями. Они пытались обнаружить световые флуктуации опытным путем и объясняли, как это делали.
Заведующий отделом физической оптики внимательно изучил статью в иностранном журнале. Он убедился, что результаты описанных там работ совершенно бездоказательны. Точнее, они даже были попросту ошибочны. «Опыты производились в условиях, — писал он в книге „Микроструктура света“,[9] — при которых никак нельзя было избежать многочисленных и очень сильных физиологических флуктуаций, хорошо известных физиологам и психологам и гораздо более заметных и резких, чем ожидаемые квантовые флуктуации».
Но в то же время в статье содержались и зерна истины. Принципиальные положения были верны. Сергей Иванович принял их во внимание, когда осуществлял свой замысел: провести широкий цикл работ, подчиненных цели «увидеть кванты».
Работы эти проводились уже в Ленинграде, в Государственном оптическом институте. Они продолжались долго: целых десять лет, начиная с 1932 и вплоть до самой войны — 1941 года. Кроме Вавилова, в них участвовали Е. М. Брумберг, Т. В. Тимофеева и 3. М. Свердлов. Привлекая на помощь и других наблюдателей, они выполнили сотни флуктуационных измерений.
Богатый опыт, приобретенный экспериментатором во время опытов в Москве, пригодился в Ленинграде. Вавилов взвесил все обстоятельства своих первых работ. Вспомнил, что было в них хорошего, а что нуждалось в улучшении. Принял во внимание выводы из опытов Барнеса и Черни. В конце концов он пришел к заключению, что на успех опытов по наблюдению квантовых флуктуации света можно рассчитывать лишь в том случае, если удастся обеспечить соблюдение трех условий: кратковременность световых вспышек, небольшие размеры изображения на сетчатке глаза, строгую фиксацию его положения.
Первое условие требовалось для устранения усредняющего действия непрерывного светового потока. Второе вызывалось необходимостью получить возможно меньший угловой размер светящейся поверхности; при больших угловых размерах количество фотонов увеличивается за счет большой поверхности, и флуктуации опять-таки усредняются. Наконец, последнее условие — фиксация положения глаза — было связано с тем обстоятельством, что различные участки сетчатки обладают разной чувствительностью; а это может вызвать значительные флуктуации светового восприятия, по своей природе ничего общего не имеющие с флуктуациями числа квантов, попадающих в глаз.
Установка, созданная Вавиловым и его помощниками с учетом перечисленных трех требований, оказалась до того продуманной и совершенной, что ее почти не пришлось улучшать впоследствии. Только раз — в 1938 году — она была слегка изменена во второстепенных деталях, но все существенные ее частb сохранились в первоначальном виде. Установка надолго стала лучшим инструментом для изучения флуктуации квантов света.
Сейчас нет в мире такой более или менее значительной оптической лаборатории, где не применялось бы точных оптических приборов (так называемых «фотоумножителей») для определения любых потоков света. Но прибор Вавилова сыграл свою роль. Он заслуживает того, чтобы его описать подробнее.
— Прежде всего вы должны понять, как появляется в установке объект исследования — световой поток, — объяснял какой-нибудь помощник Вавилова студенту старшего курса, которого намеревались сделать наблюдателем. — На самом деле этот поток — крохотное пятнышко. Его еле-еле замечает натренированный глаз.
— Причем пучок должен быть еще и монохроматическим, одноцветным, — говорил студент, желая подчеркнуть, что готовился заранее, что здесь не все для него ново.
— Да, разумеется. Мы отбираем самый активный цвет — зеленый. Это соответствует волне 500–550 миллимикрон. Как отбираем? Пропуская свет от электрической лампочки через зеленый светофильтр. Лампочка, как видите, невеличка. Всего четырехвольтовая. Свет от нее идет через светофильтр, а потом — через так называемый оптический клин, назначение которого — ослаблять световой поток во столько раз, во сколько это нужно наблюдателю.
В данном случае роль оптического клина играют две поляризационные призмы, расположенные в двух концах трубы, через которую проходит свет. Поворачивая одну призму относительно другой, можно ослаблять свет, не изменяя его спектрального состава, в какой угодно степени. Хоть до порога зрительного восприятия. Для зеленого света этот порог характеризуется величиной энергии примерно в пятьдесят миллиардных эрга в секунду на квадратный сантиметр.
Студент весь превращается во внимание. Тут ничего нельзя упустить, ничего оставить невыясненным.
Придется работать самостоятельно, а срамиться не хочется.
— Все остальное очень просто, — продолжает опытный экспериментатор. — Как выполняется первое условие опыта — кратковременность вспышек? При помощи этого вращающегося диска. Он делает оборот в секунду и находится между лампой и трубой на пути светового потока. Если б не эта дырка в его стенке, свет не прошел бы дальше. Но дырка на короткое время открывает фотонам выход, и они проскакивают сквозь диск. Длина выреза рассчитана так, чтобы за каждый оборот диска фотоны могли бы вылетать наружу в течение одной десятой секунды.
Десятую долю секунды световой поток проходит через вырез в диске, девять десятых — прерывается диском; И так каждый оборот. Вращается диск этим маленький электромоторчиком. Через редуктор.
— Есть еще условия опыта?
— Да. Размеры светового пучка ограничиваются С помощью диафрагмы, расположенной на его пути. А строгая фиксация положения глаз достигается тем, что голова наблюдателя опирается на специальный подбородник, а глаза фиксируются на красную сигнальную лампу. Ее лучи, как видите, не перерезаются диском, но могут быть ослаблены, если нужно, с помощью реостата.
— На одном столе, как видно, все не умещается?
— Можно было бы, но зачем? Так удобнее.
На втором столе располагается астрономический хронограф с катушкой телеграфной ленты и электрически регулируемыми перьями. Эти перья связаны с вращающимся диском так, чтобы каждому обороту диска соответствовала отметка на бумажной ленте. При помощи электрического ключа наблюдатель может ставить свои отметки на движущейся ленте. Их назначение в том и заключается, чтобы регистрировать световые флуктуации.