Свет — мое призвание

Неудачи не остановили Вавилова. Он все более утверждался в мысли о справедливости квантовых представлений о природе света. Наконец он решил разработать экспериментальный метод, позволяющий непосредственно наблюдать за поведением отдельных фотонов. При постановке столь тонких опытов необходимо работать со световыми потоками предельно малых интенсивностей, а следовательно, и с очень чувствительным приемником света, способным регистрировать весьма малое число световых квантов. В 1929 году в Институте физики и биофизики Сергей Иванович вместе с Верой Ивановной Федоровой осуществил первые обнадеживающие эксперименты. Однако у него не было уверенности, что обнаруженный небольшой эффект не вызывался, по его словам, психофизиологическими факторами.

В 1932 году увидела свет работа немецких исследователей Р. Барнеса и М. Черни, которые попытались обнаружить квантовые флуктуации света (случайные отклонения числа испущенных световых квантов от среднего значения числа квантов в световом потоке) при помощи адаптированного в темноте человеческого глаза. Вавилов заметил много слабых мест в этой работе. Он провел серию классических опытов по изучению квантовых флуктуаций света. Работы были выполнены совместно с Евгением Михайловичем Брумбергом, Зиновием Михайловичем Свердловым, Татьяной Владимировной Тимофеевой и К. В. Паншиным. Они продолжались на протяжении десяти лет в Государственном оптическом институте и были завершены в 1942 году.

Идея опытов сводилась к следующему. У основных оптических характеристик предельно слабых световых потоков (освещенность, сила света и т. д.) со временем должны наблюдаться случайные (статистические) флуктуации значений. Такие флуктуации имеют квантовую природу. Они вызываются тем, что каждая молекула излучающего вещества светится спонтанно, независимо от остальных молекул. Это должно приводить к квантовым временным флуктуациям основных характеристик свечения. Такие флуктуации не зависят от температуры и проявляются при любом сильном ослаблении энергии исследуемого светового потока, когда в приемник попадает лишь очень небольшое число квантов в единицу времени.

Вавилову понравилась идея использования глаза, адаптированного к темноте, в качестве приемника света. По существу, еще в 1920 году он сам применил эту идею в экспериментах по проверке выполнимости закона Бугера для предельно слабых световых потоков. Человеческий глаз — сложный приемник света. Его светочувствительными элементами служат палочки и колбочки. Палочки, располагаясь в периферической части сетчатки глаза, обладают большой чувствительностью, но не реагируют на различия в цвете. Колбочки находятся в основной, центральной, части сетчатки. Они менее чувствительны, зато позволяют различать цвета и мелкие детали рассматриваемого предмета. Благодаря всему этому человек обладает двумя зрениями — дневным, или основным (связанным с раздражением колбочек), и сумеречным, или периферическим (связанным с раздражением палочек).

В обычных условиях действуют одновременно оба зрения. Однако при малых освещенностях световое ощущение получается за счет сумеречного зрения. При переходе от значительных интенсивностей света к слабым глаз вначале ничего не видит. Однако со временем (через 30 — 40 минут) он начинает различать предметы — включается сумеречное зрение. Такой процесс принято называть адаптацией. Чувствительность полностью адаптированного глаза очень велика. Это и натолкнуло Р. Барнеса и М. Черни на мысль использовать глаз в своих опытах. Но результаты этих опытов оказались ошибочными. По словам Вавилова, они проводились так, что никак нельзя было избежать многочисленных сильных физиологических флуктуаций, хорошо известных физиологам и психологам и гораздо более заметных и резких, чем ожидаемые квантовые флуктуации.

Сергей Иванович в деталях проанализировал причины ошибок этих исследований, оценил правильность их замысла и решил воспользоваться им для постановки собственных экспериментов. Пригодился опыт работы со световыми потоками малых интенсивностей, который он приобрел при проверке выполнимости закона Бугера. Как и тогда, ученый воспользовался высокой чувствительностью глаза, по его словам, самого тонкого, универсального и могучего органа чувств, обладающего способностью получать световое впечатление при попадании в него за время около 0,1 секунды лишь нескольких десятков световых квантов. Не менее важно было и другое свойство глаза, выражающееся в существовании у него порога зрительного ощущения. Если число квантов, попавших на сетчатку, будет меньше числа квантов, соответствующего этому порогу, то глаз не увидит вспышки. Вавилов предложил метод исследований квантовых флуктуаций света, основанный именно на этом свойстве глаза.

При создании предельно малого светового потока, лежащего около порога зрительного ощущения глаза, следует ожидать флуктуаций интенсивностей этого потока, обусловленных квантовой природой света. Флуктуации должны происходить в соответствии с законами статистической физики и регистрироваться глазом.