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:
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.
Делается это с величайшей внимательностью. Как только наблюдатель видит световую вспышку, он немедленно замыкает ключом электрическую цепь. Вторым пером хронографа на той же ленте делается другая отметка, соответствующая объективно посланному сигналу. Понятно, что это происходит строго периодически — раз за оборот.
Затем по записям на ленте сопоставляют число световых сигналов, объективно посланных к наблюдателю, с числом сигналов, принятых им субъективно. Полученные данные позволяют хорошо судить и о наличии флуктуации в количестве световых квантов и о характере этих флуктуации.
Не сразу новый экспериментатор допускался к наблюдениям. «Здесь, батенька, надо уметь видеть лучше кошки», — говорил руководитель опытов кандидату в наблюдатели. Вновь привлекаемый подвергался предварительно долгой и томительной тренировке.
Его усаживали, в совершенно темную комнату. Объясняли, что он будет еще долго видеть собственный свет сетчатки — светлые облака, реющие в темноте перед глазами. Заставляли адаптироваться не меньше часа. На другой день сеанс тренировки повторялся, и так до пяти-десяти раз.
Успокаивались лишь тогда, когда убеждались, что глаз новообращаемого приучался к фиксации на красную точку, к периферическому, то есть к боковому, зрению. Вместе с тем экспериментатор должен был приучить себя к внимательности, без которой бессмысленно браться за наблюдения.
— Невнимательный, необученный глаз дает беспорядочные показания, — объяснял Вавилов на основе собственного опыта. — Это очень скрупулезная и ответственная оптическая служба, К ней можно допускать лишь человека, прошедшего надежную тренировку. Нетренированный человек, а также попросту больной или быстро устающий не сумеют добиться своевременной регистрации всех наблюдаемых им вспышек. От такого человека немного пользы, даже если он во всех отношениях аккуратен и добросовестен.
… Кропотливая обработка колоссального экспериментального материала, осуществленная методами теории вероятностей, показала, что световые флуктуации имеют статистический характер. Это могло быть вызвано только одной причиной: случайными колебаниями числа фотонов вокруг порогового зрительного значения. Говоря иначе, существование флуктуации окончательно подтверждало справедливость квантовой теории, причем самым наглядным, убедительным для всех образом.
Невозможно переоценить научное значение экспериментов, проведенных под руководством Вавилова, по визуальной проверке квантовой природы света: оно огромно.
— Человек, который первым увидел кванты! — полушутя, полусерьезно говорили о Сергее Ивановиче студенты. Сотрудников лаборатории Вавилова вместе с их руководителем называли дружески «охотниками за фотонами».
Подтверждением того, что свет действительно «зернист» и что «зернистость» эту можно увидеть воочию — непосредственно зрением, — не ограничилось значение ленинградских экспериментов. Этот цикл работ важен еще в том отношении, что он много дал фактических материалов для обоснования нового, чрезвычайно чувствительного метода исследования самих свойств зрения.
Благодаря этому методу оказалось возможным производить определение пороговой чувствительности глаза в зависимости от длин волн падающего света. Появилась возможность считать фотоны
