Физики о физиках

Однако, как отмечает Мандельштам, не только в газах и жидкостях, но и в твердых телах должны быть флуктуации плотности, значит надо рассматривать не только сгущения и разрежения в пространстве, но и какие-то изменения их во времени. Правда, в отличие от газов опять-таки из-за взаимосвязи атомов решетки эти изменения во времени тоже становятся упорядоченными, определенными для данного вещества, для данного типа кристаллической решетки.

Мандельштам всегда считал, что различные науки должны помогать друг другу своими идеями, методами и представлениями, и умел привлекать их к такой взаимопомощи. Теперь он призвал на помощь оптике радиофизику. Всем известно, что передача по радио речи, музыки стала возможна благодаря модуляции электромагнитных колебаний звуковыми. Другими словами, изменение электромагнитных волн во времени, совершающееся с частотой звуковых колебаний, и позволяет передавать звуки в пространстве — они как бы «приезжают» к радиослушателям на электромагнитной волне. Аналогичным образом рассеянный кристаллом свет модулируется добавочными колебаниями дебаевских акустических волн во времени. Значит, длина волны рассеянного света должна слегка изменяться — слегка, потому что частота акустических волн значительно ниже частоты световых волн.

Итак, рассеянный свет, помимо своих основных длин волн и соответствующих им основных линий в спектре, должен иметь еще и модулированные волны и им соответствующие спутники основных линий в спектре. Спутники должны быть расположены очень близко к основной линии и крайне слабы по интенсивности из-за малой величины флуктуаций по сравнению с основными колебаниями.

Эти идеи Мандельштам начал развивать теоретически с 1918 года, а опубликовал их через шесть лет. За это время некоторые из его результатов получил и французский физик Леон Бриллюэн, почему этот вид рассеяния называют эффектом Мандельштама-Бриллюэна. Мандельштаму очень хотелось экспериментально проверить свои предположения. Такая возможность представилась ему, наконец, когда он стал работать в Московском университете.

Вместе с Григорием Самуиловичем Ландсбергом он поставил опыты по рассеянию в кристалле кварца света от ртутной лампы.

При всем искусстве экспериментаторов им не удалось обнаружить столь малого расщепления. Но они открыли другой эффект: по обе стороны от основной линии, всегда присутствующей в спектре рассеяния кварца, но на гораздо больших расстояниях, чем ожидалось, находились слабые линии — спутники, или «сателлиты», как бы отщепленные от этой основной линии и симметрично расположенные относительно нее. «Сателлиты» оказались крайне устойчивыми, разница между частотами спутников и частотой основной линии была неизменной и не зависела от частоты основной линии.

Ученые сразу осознали важность открытого явления и стали его тщательно исследовать. Сомнений не оставалось. Обнаруженные ими линии могли быть тоже только результатом модуляции рассеиваемого света. Но какой?

После размышлений и расчетов Мандельштам нашел единственно возможное объяснение.

В кристалле совершаются колебания различных типов. С одними — дебаевскими акустическими волнами, отражающими колебания кристалла как единого целого, — мы уже познакомились. Но колеблются также отдельные атомы кристаллической решетки или комплексы атомов. Впервые такой процесс рассчитал Макс Борн. Борновские колебания тоже будут модулировать волны рассеиваемого света. И так как частота таких колебаний больше, чем дебаевских, то и спутники в спектре должны отстоять дальше от основной линии, чем те, которые первоначально рассчитал и пытался найти Мандельштам.

Итак, оба вида расщепления линий: и то, которое искали сначала, и то, которое обнаружили теперь, представляют собой две стороны, или две ветви, одного и того же процесса — колебаний кристаллической решетки. Колебания ее как целого есть дебаевские волны с относительно малой частотой колебаний; от колебаний отдельных ее частиц возникают борновские колебания.

Частота последних значительно выше, она соответствует инфракрасному участку спектра.

Мандельштам писал:

«При изучении молекулярного рассеяния света в твердых телах… нами было открыто явление, представляющее значительный теоретический интерес. Явление это заключается в изменении длины волны рассеянного света, однако значительно большем, имеющем иной характер и иное происхождение, чем то, которое мы искали.

…совершенно неожиданно обнаружилось, что все линии ртути сопровождаются спутниками, расположение которых вполне закономерно повторяется вблизи каждой линии.

…вся система спутников приходится в точности на одних и тех же местах: спектры полностью совпадают при наложении.

Одно из возможных толкований могло бы быть следующим. При рассеянии света могут возбуждаться собственные инфракрасные колебания кварца за счет энергии рассеиваемого кванта. При этом энергия, а следовательно, и частота рассеиваемого кванта должна уменьшаться на величину инфракрасного кванта, соответствующего собственным колебаниям кристалла».