Дело в том, что если свет — поток фотонов, то в высшей степени беспорядочно движущихся фотонов. Объясняется это, с одной стороны, «классическими» причинами, то есть процессами, рассматриваемыми в классической физике, с другой стороны — квантовыми причинами, связанными с тонким механизмом рождения и исчезновения квантов в молекулах.
Первые из них просты и очевидны. Обычный источник света состоит из множества излучающих движущихся частиц, взаимодействующих одна с другой, соударяющихся, получающих новые импульсы к излучению или, наоборот, прекращающих излучать при ударах. Естественно, что, испускаемые хаотически метущимися молекулами и атомами, фотоны не могут двигаться так, чтобы через какую-нибудь точку пространства их пролетало за единицу времени строго неизменное число.
Беспорядок по вине таких «классических» причин усиливается за счет непрерывного поглощения фотонов молекулами и атомами (что вызывает, как говорят, возбуждение частиц материи) и последующего спонтанного, то есть самопроизвольного, испускания квантов света этими частицами материи (с утратой возбуждения — с переходом в нормальное, невозбужденное состояние).
В повседневной жизни мы имеем дело главным образом с плотными, насыщенными световыми потоками. Фотонов а них так много, что, как показывает статистическая физика, отклонения их числа от среднего значения практически незаметны: мы не обнаруживаем «мигания» обычных источников света (если только оно не вызвано неравномерным питанием энергией).
Совсем иное, в принципе, должно наблюдаться при ничтожных световых потоках. Если свет излучается, как фотоны, то в этом случае количество падающих квантов в каждый данный момент времени не будет одинаково: оно будет испытывать статистические колебания вокруг среднего значения. Это же приведет к тому, что для каждого отдельного промежутка времени количество света, поглощаемого веществом, будет разным. Разным будет и коэффициент поглощения, рассчитанный на средний падающий поток: он станет колебаться в обе стороны от среднего значения.
Таким образом, закон Бугера нарушится при очень малых интенсивностях.
Почему же основной закон абсорбции должен нарушаться при другой крайности, то есть когда яркость падающего потока слишком высока?
Объяснение и здесь несложное.
Постепенное увеличение интенсивности падающего света станет приводить в возбужденное состояние все большее количество вещества. Все большее число молекул поглотит при этом свет.
С другой стороны, с возрастанием силы облучения будет уменьшаться число «незанятых» молекул — частиц вещества, способных поглотить свет данной длины волны и благодаря этому возбудиться.
Легко себе представить столь высокую интенсивность падающего потока, что большинство молекул окажется возбужденными. Это неизбежно приведет к уменьшению коэффициента поглощения и к нарушению закона Бугера при сверхвысоких интенсивностях.
Итак, «лакмусовая бумажка» налицо: коэффициент поглощения. Если этот коэффициент будет изменяться за пределами некоего среднего по интенсивности потока света, значит квантовая гипотеза верна. Если закон Бугера сохранит свое значение во всех случаях, это окажется серьезным доводом против гипотезы.
Когда Вавилов отчетливо представил себе теоретическую сторону дела, он вдруг задумался: но почему до сих пор никто не заметил ограниченности закона Бугера? Неужели никто не пытался проверить коэффициент абсорбции в достаточно широких пределах?
Вавилов просмотрел многочисленную литературу и убедился, что ни один исследователь не проверял старинного соотношения, изменяя интенсивность падающего света более чем в тысячу раз. А это был ничтожный интервал.
— Разве можно на такой основе заключать об универсальности закона Бугера? — сказал руководитель отдела физической оптики П. П. Лазареву. — Надо изменять поток не в тысячу, а в триллионы, тысячи триллионов раз!
— Как же вы добьетесь этого при нашей скромной лабораторной аппаратуре? — с сомнением заметил академик. — Где достанете надежные и точные приборы?
— Я подумаю…
В чем, в чем, а во времени для раздумий недостатка у Сергея Ивановича тогда не было. Трамваи не ходили. Путь от дома до Высшего технического училища (где Вавилов преподавал в те годы) или от училища до лаборатории был не только хорошим упражнением для ног. Он давал возможность отрешиться от всего, сосредоточиться. Шагая от Арбата до Немецкой, а от Немецкой до Миуссов, можешь почувствовать себя наедине, можешь помечтать, подумать.
Благодатны для творческих натур подобные моменты отрешения.
Говорят, что идея маятниковых часов пришла Галилею в голову, когда он, подолгу выстаивая в епископальной церкви, смотрел на колышущуюся от ветра бронзовую люстру. Измерив по биению собственного пульса продолжительность колебаний люстры, он узнал, что и большие и маленькие колебания люстры происходят за одно и то же время. Так был открыт изохронизм колебаний маятника — основной закон, позволяющий строить часы с маятником.
Корабельный врач Роберт Майер по неделям не сходил на берег и оставался наедине со своими мыслями и больными матросами. Он обратил внимание на то, что в южных широтах венозная кровь ярче, чем на севере. «Значит, в теплом климате организм расходует меньше кислорода», — сказал самому себе Майер. В конце концов из этих размышлений родилась одна из первых формулировок закона сохранения энергии.
…Возможно, что именно во время ежедневных вынужденных многокилометровых «проминок» к Сергею Ивановичу пришла счастливая мысль попытаться использовать в качестве точнейшего прибора для проверки универсальности закона Бугера… обыкновенный человеческий глаз. Когда-то метод визуальных наблюдений для количественного измерения светового потока применялся. Но то было на рубеже семнадцатого и восемнадцатого веков. Потом визуальный метод был основательно забыт.
И вдруг Сергей Иванович предложил возродить его, причем для проверки ультрасовременной физической теории.
— Семнадцатый век вторгается в век двадцатый! — иронически воскликнул один сослуживец Вавилова. — Не думаете ли вы при помощи своих глаз подсчитывать число квантов, вылетающих из электрической лампочки?
— Вы точно сформулировали мои намерения, — гаков был смысл ответа оптика. — Скажу вам более: я надеюсь, что установка будет обладать степенью совершенства достаточной, чтобы даже вы могли увидеть квантовое строение света, если оно, конечно, существует.
И он поставил свои опыты.
Эти опыты, проведенные в 1920 году с помощью извлеченного Вавиловым из забвения старинного фотометрического метода, замечательны не только тем, что исходили из принципиальной возможности убедиться в существовании квантов света по наблюдению флуктуации их количества. В этом опыте, что еще замечательнее, впервые в новое время для целей фотометрирования была использована исключительно высокая чувствительность человеческого глаза.
Оказалось, что ни один обычный фотометрический метод не мог заменить в этом отношении естественного органа зрения человека.
Поглощения лучей при больших, средних и малых интенсивностях светового потока (с интервалом в тысячу триллионов раз!) Вавилов изучал на обычной установке, применяя для измерения света, выходящего из тела, известный спектрофотометр. Закон Бугера в этом интервале сохранялся: квантовые идеи здесь не подтверждались.
Для изучения поглощения света при сверхмалых интенсивностях света Сергей Иванович сконструировал специальную установку, в которой в качестве измерительного прибора применялся глаз.
Опыты на новой визуальной установке проводились так. Тщательно завешивались все окна и щели. В абсолютном мраке исследователь долго адаптировался — приучал к нему свое зрение. Потом он припадал глазом к отверстию в ширмочке прибора и наблюдал. Перед ним возникало светящееся пятнышко — последний след изломанного луча, рожденного в 100-свечовой лампе и прошедшего сложный путь: от лампы к флуоресцирующей пластинке, затем к фокусирующему объективу и, наконец, к окрашенной желатиновой
