Свет — мое призвание

Работы Вавилова по квантовым флуктуациям света привлекли к себе внимание научного мира. Академик Дмитрий Сергеевич Рождественский заявил, что эти исследования являются исключительно принципиальными и важными, и он высоко ценит их. Опыты Вавилова стимулировали развитие ряда важных научных работ. Так, в 1943 году академик Александр Алексеевич Лебедев выказал предположение о том, что разрешающая способность глаза и других зрительных устройств (способность видеть мелкие детали наблюдаемого предмета) при регистрации слабых световых потоков должна ограничиваться их квантовыми флуктуациями. В работах советских физиков Андрея Владимировича Луизова и Сергея Осиповича Майзеля была доказана плодотворность этой идеи.

Исследования Вавилова вызвали большой интерес и за рубежом, послужив отправным пунктом для ряда работ в разных странах. Так, в 1941 году американские физиологи С. Гехт, С. Шлер и М. Пиррен провели опыты, в которых использовали вавиловскую методику. Однако они вначале не ссылались на Вавилова, а позже умышленно искажали смысл его опытов. В монографии «Микроструктура света» С. И. Вавилов показал полную несостоятельность американских авторов. Их работы оказались повторением давно опубликованных результатов Сергея Ивановича в худшем варианте.

В 1944 году появилась работа голландского физика Альберта Якоба Иозефа Ван дер Вельдена, который через двенадцать лет после Вавилова «открыл» метод квантовых флуктуаций. Однако оказалось, что результаты Ван дер Вельдена и более поздние опыты М. Боумана не согласуются ни с данными С. И. Вавилова, ни с данными С. Гехта.

После того как было установлено существование квантовых флуктуаций света, Сергей Иванович сделал попытку обнаружить квантовые свойства в тех световых явлениях, которые считались типично волновыми. Прежде всего он изучил квантовые флуктуации в когерентных световых пучках. В 1934 году совместно с Е. М. Брумбергом он исследовал интерференцию света при предельно малых интенсивностях интерферирующих лучей.

Обычно явления интерференции изучались при взаимодействии когерентных световых потоков, интенсивность которых была достаточно велика. В этих случаях наблюдалась стабильная интерференционная картина. Чередование светлых и темных полос в ней определялось соотношением фаз интерферирующих световых пучков, зависящим от точки наблюдения.

Иначе обстоит дело при проявлении у интерферирующих пучков квантовых свойств. В места темных полос интерференционной картины световые кванты не попадают. Светлые полосы при предельно малых интенсивностях интерферирующих световых потоков в разные моменты времени обладают различной интенсивностью. Появление флуктуаций интенсивностей светлых полос вызывается флуктуациями числа квантов в интерферирующих световых пучках.

С. И. Вавилову и Е. М. Брумбергу удалось обнаружить эти эффекты. Темные полосы интерференционной картины не испытывали изменений, в то время как в светлых полосах отчетливо проявлялись беспорядочные флуктуации интенсивности. Таким образом, было доказано, что даже в типично волновых процессах можно обнаружить квантовые свойства. Единство волновых и квантовых свойств света (так называемый корпускулярно-волновой дуализм) было продемонстрировано с большой убедительностью.

Вавилов осуществил и еще один опыт по исследованию относительных флуктуаций в когерентных световых пучках. Он направлял пучок зеленого естественного света на бипризму Френеля — оптическое устройство, в свое время предложенное французским физиком Огюстеном Жаном Френелем и состоящее из двух призм с малыми преломляющими углами, сложенных основаниями по отношению друг к другу. Бипризма Френеля используется для получения когерентных световых пучков в интерференционных опытах.

Преломляющее ребро бипризмы в эксперименте Вавилова было расположено горизонтально. В поле зрения оказывалось два симметрично расположенных когерентных зеленых пятна. Сергей Иванович писал, что при достижении пороговой мощности оба пятна флуктуировали одно относительно другого и весьма редко были видны в одно и то же время. Это явление независимых относительных колебаний когерентных лучей имеет катастрофическое значение для волновой теории, если пытаться ее защищать и в данном случае.

Аналогичные результаты Вавилов получил и в опытах с призмой Волластона — поляризационной призмой, предложенной английским ученым Ульямом Хайтом Волластоном и состоящей из двух прямоугольных призм из исландского шпата. Проходя через нее, естественный луч делится на два плоскополяризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях луча, которые по выходе из призмы распространяются под одинаковыми углами по отношению к направлению естественного луча. Через призму пропускался зеленый естественный пучок света. На выходе получалось два поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях световых пучка. Они давали два зеленых пятна, которые флуктуировали независимо друг от друга.