Тогда же перешел к нему, оставив работы по акустике, 25-летний Вадим Леонидович Левшин. С тех пор и на долгие годы Левшин стал ближайшим помощником и соратником С. И. Вавилова, участником многих совместно ими вдвоем проведенных исследований. Позднее этот самый близкий Сергею Ивановичу товарищ по работе стал крупнейшим советским специалистом по люминесценции.
Как-то раз Сергей Иванович признался Левшину, что сомневается в правильности собственных выводов из первых опытов по проверке закона Бугера.
— Может быть, никакого противоречия с квантовой гипотезой там не было? — сказал Сергей Иванович. — Давайте рассуждать с позиций защитников гипотезы.
Вот происходит мощное облучение поглощающего вещества. Поток фотонов, поглощаясь молекулами, переводит их в возбужденное состояние. Но ведь в этом состоянии молекулы пребывают недолго. Я пользовался, в частности, такими красителями, как флуоресцеин, эозин и родамин. Я растворял их в воде. Но молекулы родамина, например, находятся в состоянии возбуждения всего лишь миллиардные доли секунды. Мгновение — и молекула выбрасывает квант света люминесценции. Чтобы возбудить ее снова, надо посылать к молекуле новый квант возбуждающего света, новый фотон.
Разговор происходил в лабораторной комнате. Левшин внимательно слушал. Все до сих пор сказанное было ему хорошо знакомо.
Сергей Иванович продолжал:
— Чтобы обнаружить изменение коэффициента поглощения, нужно, чтобы заметная доля молекул родамина находилась в возбужденном состоянии. А для этого к каждой молекуле нужно подводить сотни миллионов квантов в секунду. Это огромная энергия.
— Да, достигнуть такого состояния, по-видимому, очень трудно. Не хватит мощности средней электростанции.
Вавилов задумался.
— У нас, однако, есть выход, — сказал он спустя минуту. — Этот выход — применить поглощающее вещество с длительным послесвечением. Надо найти вещество, молекулы которого долго сохраняли бы состояние возбуждения.
…И они его нашли. Ценою долгих поисков и многих разочарований, но нашли. Это были ураниловые соединения, соли уранил-нитрата. Будучи облучены, они сохраняли возбуждение пять десятитысячных секунды — более чем в сто тысяч раз дольше, чем молекулы родамина.
В 1926 году оба физика предприняли новую попытку проверить соблюдение пропорциональности между величиной поглощенного света и интенсивностью падающего света при сильных облучениях. Направляя на урановое стекло, помещенное в приборе, свет мощной конденсированной электрической искры, исследователи убедились, что коэффициент поглощения в данном случае изменяется. Закон Бугера оказался нарушенным.
Это был сокрушительный удар по прежним, классическим представлениям о природе света. Если свет — чисто волновой процесс, неясно, почему характер его поглощения должен меняться с изменением интенсивности светового потока. Возможность нарушения основного закона абсорбции — логическое следствие только одной причины: квантовой структуры света. Если нарушение налицо — значит гипотеза о прерывном строении электромагнитного потока справедлива.
Квантовая теория решительно подтверждалась опытами Вавилова и Левшина при сильных интенсивностях.
Оставалась другая крайняя область: очень малых интенсивностей. Если свет прерывен, прерывность должна была сказаться и в этой области. Почему во время опытов 1920 года закон Бугера здесь соблюдался?
Сергей Иванович восстанавливал в памяти обстановку первых опытов. Он вспоминал, как передвигал шибер реостата и старался установить его в положение, точно соответствующее порогу зрения. Постепенно тонкий механизм процесса четко вырисовывался в его воображении. Позднее, в одной из лучших своих работ, «Микроструктура света», ученый кристальным языком описал выводы, которые когда-то сделал.
У человеческого глаза есть еще одна — кроме наличия порога зрения — физиологическая особенность, важная для оптика. Глаз удерживает зрительные впечатления, поступающие к нему в течение одной десятой секунды. В кино эта инертность восприятия помогает создавать эффект непрерывности действия. В опытах по визуальному наблюдению фотонов она суммирует действие всех квантов света, приходящих за десятую долю секунды к зрительному нерву. Количество фотонов как бы увеличивается при этом, и статистические флуктуации становятся менее заметными.
В конечном счете наступает усреднение всех показателей. Стремится к среднему значению, к постоянной величине и коэффициент абсорбции.
«Если б можно было создать настолько малый световой поток, чтобы за одну десятую секунды в глаз попало фотонов столько, сколько их соответствует пороговому значению, — вероятно, рассуждал Вавилов, — что тогда получится? В некоторый момент времени под влиянием флуктуации число световых квантов, попавших в глаз, превысит порог зрительного ощущения, и наблюдатель увидит световую вспышку. В другой момент эти же флуктуации приведут к иному эффекту: число фотонов окажется меньше порога зрения, и глаз не заметит посланного светового сигнала. В конечном счете наблюдатель отметит неравномерность вспышек. Он совершенно определенно обнаружит флуктуации. В сущности говоря, тем самым он
«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 fur 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
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.
