В поисках чуда (с илл.)
Шрифт:
Базируясь на выводах Рэлея, патриарх квантовой физики Макс Планк создал стройную теорию, объяснившую ослабление света при его прохождении через прозрачную, оптически однородную среду. Минули годы, прежде чем обнаружилось: фундаментальная постройка, возведенная двумя крупнейшими зодчими физики, не что иное, как воздушный замок.
Мираж был рассеян нашим соотечественником, впоследствии академиком, видным советским физиком, а тогда совсем еще молодым доктором натуральной философии Леонидом Мандельштамом. Ученый убедился, что оптически однородная среда не способна рассеивать свет. Не отдельные молекулы, равномерно распределенные в объеме, обусловливают цвет неба, ибо они чересчур малы для этого, а их случайные скопления: в газовой среде беспрерывно возникают и тут же рассасываются, умирают и снова рождаются микронеоднородности, флуктуации, когда в одном месте «густо», а по соседству «пусто». Каждый такой мимолетный сгусточек (он
На чисто физические препятствия накладывались трудности иного толка — сугубо прозаические, материальные. В 1925 году, когда Мандельштам приступил к заведованию кафедрой на физическом факультете Московского университета, лаборатории не могли похвастать первоклассным оборудованием, как сейчас. Порой не хватало самых простых приборов, самых необходимых материалов. В такой обстановке сошлись пути двух советских ученых: Л. И. Мандельштама и Г. С. Ландсберга. Теоретическая зоркость первого и экспериментальное остроумие второго сделали возможным изящное исследование, которое привело к новому замечательному открытию.
Пусть мигания, порожденные уплотнениями, недоступны прямой регистрации. Но они должны проявляться косвенно — в изменении частоты рассеянного света. Именно этот эффект решили проанализировать Мандельштам и Ландсберг. Правда, не в воздухе. В кварце (хрустале). Ибо явление, которое они собирались изучать, универсально, оно имеет место в любых прозрачных средах, в кристалле же его скорее удастся выделить в наиболее чистом виде.
Геометрически правильной пространственной структуре твердого тела свойственны мимолетные самопроизвольные искажения, местные деформации. Всякое случайное уплотнение тотчас же передается, как по цепочке, вширь и вглубь, разбегаясь волной по всему объему. Это фононы («звуковые кванты»). Самого термина тогда еще не знали (его предложил И. Е. Тамм лишь в 1934 году), но периодические возмущения в кристалле были хорошо изучены. Именно они, коллективные движения, а не индивидуальные атомы кварца должны рассеивать свет. Расчеты показали: если впустить в кристалл не белый световой поток, а одноцветный (скажем, фиолетовый), то на его фотоны повлияют те фононы, частота которых равна примерно 10 тысячам мегагерц. Это в 70 тысяч раз меньше, чем у самой рассеиваемой волны (700 миллионов мегагерц), значит, ни о каком резонансном взаимодействии речи быть не может. Зато можно говорить о модуляции.
Воспользуемся акустической аналогией — пусть перед нами дрожит гитарная струна. Начните ритмично покачивать гриф инструмента — вы услышите «биения»: звук то замирает, то усиливается в такт вашим движениям. Наложив низкочастотное колебание на высокочастотное, вы осуществили модуляцию. Нечто подобное ожидалось Мандельштамом и Ландсбергом, разве только в области оптики: у них звуком модулировались электромагнитные колебания. Предполагалось, что рассеянный луч будет отличаться своей частотой (цветом) от первичного на мизерную величину — тысячные доли процента. Но случилось иначе.
Разница в длинах волн оказалась настолько резкой, что никак не укладывалась в рамки прежней теории. Не ошибка ли? Многократная перепроверка лишь подтвердила: налицо неизвестный эффект, которым полностью маскировался тот, ожидаемый.
Не сразу ученые нашли ему объяснение. А когда нашли, то, прежде чем заявить во всеуслышание о своем открытии, решили подвергнуть гипотезу всестороннему испытанию.
В начале 1928 года огромная работа была завершена. Мандельштам и Ландсберг направили описание своих опытов вместе с исчерпывающей теоретической интерпретацией полученных результатов в немецкий журнал «Натурвиссеншафтен» и одновременно в «Журнал русского физико-химического общества». Вскоре рукопись вернулась из Германии: редакция просила сократить ее. Авторы выполнили это требование и снова отослали статью. До выхода номера в свет оставалось несколько недель, как вдруг…
Просматривая мартовскую очередную тетрадь «Нэйчур», Мандельштам и Ландсберг увидели сводку экспериментальных результатов, похожую на их собственную! Сообщение в британский еженедельник пришло с берегов Ганга от Ч. В. Рамана и К. С. Кришнана. Да, они тоже столкнулись с аномальным увеличением длины волны в опытах по рассеянию света, только не в твердом
теле, а в жидкостях и газах. Потом выяснилось: индусы, едва получив первые результаты, поспешили отправить в Лондон победную каблограмму. Но чем внимательней вчитывались москвичи в куцую заметку своих калькуттских коллег, тем яснее становилась ошибка индийских физиков. Сообщение называлось «Оптический вариант эффекта Комптона».Еще в 1923 году американский ученый А. X. Комптон установил, что рентгеновы и гамма-лучи взаимодействуют с веществом не так, как видимые, которые менее энергичны. И уж тем более не так, как радиоволны, которые совсем слабосильны.
Известно, что электрон способен впитать угодившую в него порцию света, возбудиться, а потом, переходя в прежнее состояние, возвратить ее целиком в том же качестве и количестве. У фотона, выпущенного таким образом на свободу, частота (длина волны) остается той же, какой была до «пленения», изменяется лишь первоначальное направление его движения. Гамма-квант — мощнейший сгусток электромагнитного поля. Он не поглощается целиком, а теряет лишь жалкие крохи своей энергии, но и их достаточно, чтобы выбить электрон «из седла». Похоже, будто взаимодействуют не волна и частица, а две корпускулы, сшибаясь, как движущийся бильярдный шар с покоящимся. (Кстати, по словам Сергея Ивановича Вавилова, эффект Комптона есть не что иное, как осуществление лебедевского опыта по световому давлению, только не в макро-, а в микромасштабах — в элементарном процессе.)
Жесткое излучение, покинув атакованное им вещество, оказывается мягче; длина его волны увеличивается.
«Оптическое подобие эффекту Комптона очевидно, — писали Раман и Кришнан, — за исключением одного: мы имеем дело с гораздо большим изменением длины волны…» Вот именно: гораздо большим, чем благодаря эффекту Комптона…
Нет, здесь другой механизм! Перед нами совершенно новое явление, оно не имеет прецедентов среди уже известных науке. Так заявили в своей статье Мандельштам и Ландсберг. Причина кроется не в деформациях решетки, модулирующих световую волну, как считали раньше сами авторы, и не в упругом рассеянии фотонов электронами по Комптону, как думают Раман и Кришнан, а в вибрациях атомов внутри каждой молекулы, то растягивающих, то сжимающих пружинку химической связи. Этот процесс быстрее, энергичней, ему свойственна в сотни раз более высокая частота, чем фононам, — десятки миллионов мегагерц. Потому-то его влияние и сказывается намного заметнее. Частота внутримолекулярных колебаний либо приплюсовывается к модулируемой, либо вычитается из нее. Такая комбинация дает целый набор волн — у одних результирующая частота равна сумме первоначальной и модулирующей, у других — их разности, у третьих сохраняется неизменной. Вращение молекул также накладывает свой отпечаток на излучение, проходящее через прозрачную среду.
Комбинационным рассеянием назвали Мандельштам, и Ландсберг это исключительно важное для исследовательской практики явление, ими открытое и обоснованное. С их толкованием Раман и Кришнан сразу же и полностью согласились.
А в 1930 году Раману вручили Нобелевскую премию.
Вот как комментирует это событие автор исторических очерков о физике А. Ливанова: «Сыграли ли тут роль политические причины — ведь советским ученым в течение многих лет не присуждали Нобелевских премий — или какие-нибудь еще, но так или иначе премию получил один Раман. Решение Нобелевского комитета навсегда останется актом крайней несправедливости. Наши ученые раньше открыли явление, полнее его исследовали, точнее описали и правильнее объяснили». Кстати, знаменитый геттингенский теоретик Макс Борн в знак протеста против дискриминации советских физиков вышел из состава Нобелевского комитета.
Ныне комбинационное рассеяние света, широко используемое в спектроскопии молекул, нашло еще одно применение. Американская фирма «Хьюз эйркрафт» в декабре 1962 года испытала квантовый генератор нового типа. В нем рассеивающей средой служили органические жидкости — бензол и толуол. Прошедший сквозь них луч рубинового лазера подвергся частотному преобразованию, правда, по несколько иным законам, чем в классическом результате Мандельштама и Ландсберга.
Луч лазера вписал новый параграф в классическую главу физики — оптику.
Мощный когерентный поток, ворвавшийся в вещество, подобен цунами. Его электромагнитное поле с огромной силой раскачивает заряды во встречных атомах, изменяя оптические свойства среды в своем собственном ритме. Эти навязанные колебания не остаются в долгу. «Возмутитель спокойствия» тотчас испытывает их обратное воздействие: световая волна удваивает частоту. Она сама себя модулирует! Так с помощью специально подобранных кристаллов можно утроить и учетверить ее периодичность.
Представляете масштабы? Учетверить! В опытах Мандельштама и Ландсберга с кварцем ритм колебаний практически не учащался — увеличение темпа составляло жалкие доли процента. Здесь же — 300 процентов прироста! И надо думать, это не предел.