С возникновением квантовомеханических идей многие физики стали пересматривать явления природы, изучением которых специально занимались, с точки зрения квантовой механики. Хотелось знать, что могут дать новые идеи для прояснения туманных мест различных областей физической теории.
С многими вместе стремился к этому и Вавилов. Открытие новых, более глубоких взаимосвязей между светом и веществом привлекло его пристальное внимание. Сергей Иванович немедленно стал искать путей применения законов квантовой механики, в частности в области 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 перекрикивались друг с другом, хотя бы стояли рядом. Даже в темпераментной Италии женщины говорили тише, если не ругались.
В тумане 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 уж 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. Вавилов сильно скучал по Родине. Не сразу удалось привыкнуть к чужой лаборатории, к незнакомой обстановке. Одно дело — путешествовать за рубежом, другое — там работать, стараясь за короткое время выполнить большое научное исследование.
Однажды по случайной оплошности Сергей Иванович пережег электромагнит, изготовленный самим Г. Гельмгольцем. Когда потом Вавилов рассказывал об этом своим ученикам и те сопровождали рассказ учителя чересчур веселыми комментариями, Сергей Иванович сердился не на шутку.
— Ничего смешного тут нет, — говорил он. — Это реликвия. Посмотрел бы я на вас, как бы вы себя чувствовали, если бы сами пережгли. Я все-таки его аккуратно заново перемотал. Очень, доложу вам, неудобно было.
Вавилов работал в основном в университете, но навещал и другие физические центры Германии. Из них следует отметить Физический институт имени кайзера Вильгельма, находившийся на далекой окраине Берлина — в Далеме. Институт располагал прекрасным оборудованием для экспериментов, и в нем работали выдающиеся исследователи.
Бывал Сергей Иванович и в одном из мировых центров физики двадцатых годов — в тихом и уютном городке Геттингене с его старинным университетом Георгии Августы, воспитавшим очень много крупнейших физиков и математиков нашего времени. В демократии, процветавшей там и связывавшей студентов и профессоров в одну дружную семью, советский физик с приятным чувством обнаружил черты, присущие и нашим учебно-исследовательским заведениям. Только там, где царит товарищеский дух и где каждый стоит горой за каждого, могут быть достигнуты высокие успехи в работе.
Несмотря на нелегкие условия берлинской жизни, Вавилов выполнил с успехом задуманное им исследование.
Название работы — «Поляризованная и неполяризованная фосфоресценция твердых растворов красителей» — немного говорит непосвященным. Правда, слово «фосфоресценция» — длительное свечение (в отличие от «флуоресценции» — кратковременное свечение), вероятно, известно многим. Но нам, пожалуй, следует напомнить читателю об удивительном свойстве света (как и всех вообще электромагнитных волн) пребывать в поляризованном, неполяризованном и частично поляризованном состоянии. Ведь без этого трудно дать хотя бы общее представление о той большой главе в учении о люминесценции, которую создали Вавилов и его ученики и которая называется учением о поляризации люминесценции.
Начнем с наглядного примера, пусть грубого, но все же помогающего понять сущность поляризации.
Возьмитесь за свободный конец веревки, привязанной к стене, и с силой взмахните рукою сначала сверху вниз, затем справа налево. Веревка станет извиваться как ползущая змея. Физики скажут: «Она колеблется в двух взаимно-перпендикулярных направлениях».
А теперь представьте, что путь «змеи» лежит сквозь створки раздвигающейся двери типа той, что применяется в вагонах метрополитена. Пока эти створки не касаются веревки, она продолжает извиваться, как прежде. Но стоит только двери превратиться в щель, как характер колебаний изменится.
Вращающаяся по спирали волна добежит до створок, и за ними превратится в плоскую волну. «Змея» проползет сквозь щель, но дальше будет извиваться только в вертикальной плоскости.
Волна, обегающая по спирали вокруг веревки, не имеет ярко выраженных крайностей — полюсов. Ведь ее любое положение похоже на все другие. Это неполяризованная волна. Волна за узкой щелью имеет крайности — два полюса. Она поляризованная волна. Сжимая и разжимая створки двери, мы можем придавать свободной — неполяризованной — волне ту или иную степень поляризации: от нуля до ста процентов.
Нечто напоминающее описанную картину происходит с пучком света, взаимодействующим с веществом.
Так называемый элементарный излучатель — колеблющаяся молекула — обычно испускает свет поляризованный; подобно маятнику часов, она колеблется в одной плоскости. В той же плоскости изменяется и электрическое поле, воспринимаемое нами как свет. Но раскаленные молекулы и атомы горячих источников света — Солнца, лампы и т. д. — обычно расположены хаотически. Они колеблются в различных направлениях, и их суммарный свет всегда неполяризован.
Однако так бывает лишь до тех пор, пока световой пучок не вступит во взаимодействие с веществом, Отразившись от зеркальной поверхности, свет поляризуется. То же обнаруживается и при прохождении электромагнитных волн через специальные поляризующие среды. В других случаях степень поляризации может быть не стопроцентной, а какой-нибудь иной, меньшей. Возможно и сохранение прежней неполяризации, например, при отражении света от очень шероховатой поверхности.
Велико различие пучка света, взаимодействующего с веществом, и веревки-«змеи», «проползающей» через щель. Но есть между ними и нечто общее: «преодолев препятствие», они сохраняют его след. По тому, как изменяются колебания веревки, можно вывести заключение о размере щели, через которую она проходит. По степени поляризации света при взаимодействии его с веществом можно судить о некоторых особенностях в строении молекул и в механизме поглощения и испускания света.
Впрочем, последнее обстоятельство было установлено не сразу: его открыли только в результате длинной серии работ.
В 1921 году Сергей Иванович вместе с Левшиным впервые занялся изучением поляризации люминесценции. Для начала они решили проверить сам факт существования этого явления — поляризованной люминесценции. Сразу же обнаружилось, что свечение ярко люминесцирующих водных растворов флуоресцина не поляризовано. У слабо же светящихся красителей поляризация наблюдалась.
Летом 1922 года появилась статья немецкого физика Ф. Шмидта, в которой указывалось на важное значение для возникновения поляризации люминесценции большой вязкости растворителя. Сообщение Шмидта вызвало живой интерес у двух московских оптиков, и они стали производить тщательное исследование явления в вязких растворителях.