Опасаясь неудачного уплотнения, В. А. Веснин сам решил найти себе постояльца и обратился с просьбой к своему соседу по лестничной площадке Э. В. Шпольскому помочь ему в этих поисках. Зная о планах Сергея Ивановича, Шпольский посоветовал его кандидатуру. Хозяева и жилец понравились друг другу, и переселение Вавилова на Арбат, в Большой Успенский переулок (ныне Большой Могильцевский) состоялось.
Вскоре Сергей Иванович подружился с младшей сестрой жены В. А. Веснина Татьяны Михайловны Ольгой Михайловной Багриновской. Молодые люди стали вместе проводить свободное время. 25 июня 1920 года Сергей Иванович и Ольга Михайловна поженились. Ему в то время было двадцать девять лет, она была тремя годами моложе. Свадьба состоялась под Нижним Новгородом в поселке Растяпино (ныне город Дзержинск) в доме В. А. Веснина, который в то время был занят здесь строительством химического комбината. Ольга Михайловна делила с мужем радости и невзгоды на протяжении тридцатилетней совместной жизни.
Ольга Михайловна выросла в семье русских интеллигентов. Ее отец был присяжным поверенным, компаньоном известного юриста Федора Никифоровича Плевако; брат — профессором Московской консерватории; дяди, Хвостовы, историк Михаил Михайлович и юрист Владимир Михайлович — профессорами Казанского университета. Тетя, Ольга Павловна Алексеева, актриса Московского художественного театра, была замужем за актером Борисом Сергеевичем Алексеевым — родным братом Константина Сергеевича Станиславского.
Сестры Татьяна, Наталья, Ольга и Екатерина Багриновские с детских лет жили в атмосфере музыки, литературы и театра. Ольга мечтала стать певицей. Вскоре после начала первой мировой войны она поступила в Московскую консерваторию, однако ученье не закончила — в 1916 году добровольно ушла на фронт. Здесь она провела более двух лет, работая в отряде детской помощи, задача которого состояла в спасении детей, потерявших родителей.
Вернувшись, Ольга Михайловна поселилась у старшей, еще незамужней сестры Татьяны Михайловны, у которой были две небольшие комнаты в густо населенной квартире в Еропкинском переулке на Пречистенке (ныне Кропоткинская улица). Татьяна вышла замуж за Веснина и переехала к мужу. После свадьбы Ольги она передала свои две комнатки чете Вавиловых, где началась их полная житейских трудностей, но дружная жизнь. Э. В. Шпольский говорил, что невозможно было представить себе лучшую супружескую пару, чем Сергей Иванович и Ольга Михайловна.
С. Н. Ржевкин вспоминал, что всем друзьям и сослуживцам Сергея Ивановича Ольга Михайловна пришлась по душе. Она была интересным и обаятельным человеком. Вскоре образовалась компания, включавшая помимо семьи С. И. Вавилова семьи С. Н. Ржевкина, П. Н. Беликова, С. В. Кравкова, Э. В. Шпольского и других близких по духу людей. Встречались в Новый год, татьянин день и другие праздники.
В 1921 году у Вавиловых произошло радостное событие — родился сын Виктор. Сейчас Виктор Сергеевич, крупный специалист в области физики твердого тела, работает в Физическом институте Академии наук СССР
имени П. Н. Лебедева, где заведует сектором радиационной физики полупроводников в лаборатории полупроводников. Он профессор физического факультета МГУ, возглавляет в университете кафедру полупроводников. В. С. Вавилов — лауреат Государственной премии СССР.
Двадцатые годы... Разруха, неурожай, острая нехватка топлива, заботы, связанные с рождением ребенка. Даже за детскую коляску для маленького Вити пришлось заплатить 45 миллиардов рублей. Все это мешало работать. В 1921 году Николай Иванович Вавилов был послан в США для переговоров о поставках семян в Россию. Отказывая себе во всем, он посылал в Москву продовольственные посылки, стремясь поддержать родных в это трудное время. Эти посылки очень помогли семье Сергея Ивановича.
Оправившись после родов, Ольга Михайловна попыталась продолжить свое образование. Она стала брать уроки пения в филармонии у Марии Владимировны Владимировой, сестры Валерии Владимировны Барсовой. Однако сил не хватало, и занятия пришлось оставить. И все же, несмотря на все трудности, молодая женщина не утрачивала оптимизма.
Начало научной деятельности Сергея Ивановича Вавилова совпало с важными событиями в области физики — с появлением работ немецкого физика Макса Планка и датского физика Нильса Бора, заставивших пересмотреть общепринятую точку зрения на световые явления как на чисто волновые электромагнитные процессы. Эти работы заложили основу новых, квантовых, представлений о природе света. Без квантовой теории оказалось невозможным понять целый ряд эффектов, которые наблюдаются при взаимодействии света с веществом. Вместе с этим многие важнейшие оптические явления, такие, как интерференция, дифракция и поляризация света, хорошо объяснялись волновой теорией. Данные о природе световых явлений были чрезвычайно противоречивы. Квантовые представления только начинали завоевывать себе право на существование и требовали для своего подтверждения дополнительных тонких экспериментов. А пока сотрудники П. П. Лазарева даже само слово «квант» брали на бумаге в кавычки.
С. И. Вавилов очень интересовался природой световых явлений и на протяжении многих лет возвращался к ее рассмотрению. Цикл его работ в этой области начинается с исследования процессов поглощения и испускания света элементарными молекулярными системами. Ему принадлежит заслуга открытия квантовых свойств у многих явлений, считавшихся ранее типично волновыми и противоречащими квантовым представлениям. Сергей Иванович наглядно показал, что между волновыми и квантовыми свойствами света существует теснейшая связь.
В 1920 году в Институте для физических исследований С. И. Вавилов начал серию работ, посвященных выяснению границ применимости основного закона поглощения света при его прохождении через вещество, сформулированного еще в 1729 году французским физиком Пьером Бугером. Согласно этому закону, существует пропорциональная (линейная) зависимость между количеством поглощенного света в поглощающем слое вещества и интенсивностью падающего светового потока. Действительно, проходя через слой вещества, свет частично поглощается, ослабляясь определенное число раз. При увеличении или уменьшении интенсивности падающего светового потока, естественно, изменяется и интенсивность света, вышедшего из вещества, — она соответственно усиливается или ослабляется. Однако доля поглощенного веществом света, в соответствии с законом Бугера, в обоих случаях должна сохраняться постоянной.
До работ Вавилова справедливость этого закона была проверена в небольшом диапазоне интенсивностей поглощаемого светового потока. По мнению Вавилова, его проверка для гораздо более широкого интервала интенсивностей имела принципиальное значение, так как позволяла экспериментально подтвердить квантовую природу световых явлений.
Идея его опытов состояла в следующем. Если свет действительно излучается квантами (порциями), которые обычно называют фотонами, то их число в каждый момент времени не будет одинаково, а должно испытывать колебания вокруг некоторого среднего значения. А это означает, что для каждого отдельного промежутка времени количество поглощаемого света различно.
В обычных условиях интенсивности световых потоков настолько значительны, а их квантовые флуктуации столь невелики, что исследователь не может их заметить. Иная картина должна наблюдаться при работе с предельно слабыми световыми потоками. В этом случае, по мысли Вавилова, была надежда обнаружить беспорядочные изменения поглощательной способности вещества и тем экспериментально подтвердить квантовую природу света.
Еще одна возможность подтвердить эту природу открывалась при работе со световыми потоками предельно высокой интенсивности, когда молекулы вещества, поглощая кванты падающего света, переходят в более богатое энергией возбужденное состояние. По мере возрастания интенсивности падающего света все большее количество молекул приходит в возбужденное состояние, в результате чего поглощение света ослабляется. При таком положении закон Бугера перестает быть справедливым.
Вавилов ищет прямого экспериментального доказательства правильности квантовой природы света. Он создает две установки, одна из которых предназначается для измерения поглощения при малых и средних яркостях падающего света, вторая — при больших яркостях. В качестве объектов исследования использовались коллоидные пленки, окрашенные родамином и фуксином, а также водные растворы этих красителей. Суммируя результаты серий опытов, Сергей Иванович пришел к выводу, что закон Бугера остается справедливым при изменении яркости светового потока в 10e15 раз.
Получив такой результат, Вавилов приступил к изучению поглощения световых потоков предельно малых интенсивностей. В качестве чувствительного приемника он использовал человеческий глаз, основываясь на наличии у него резко выраженной границы (энергетического порога) восприятия света. Эта работа очень существенна в методическом отношении. Она положила начало исследованиям квантовых флуктуаций света и восстановила давно забытый метод фотометрирования, применявшийся физиками и астрономами более двухсот лет назад. Устанавливая, во сколько раз необходимо ослабить световой поток до порога чувствительности глаза наблюдателя, долгое время находившегося в темноте, исследователь определяет интенсивность этого потока. Человеческий глаз в этом случае служит абсолютным прибором. Еще в 1916 году Лазарев показал, что для зеленого падающего света порог зрительного раздражения соответствует энергии 10e-9 — 10e-10 эрг в секунду.
Для измерений Сергей Иванович построил специальную установку. Источником света в ней служила флуоресценция водного раствора красителя родамина 5 Ж, имеющего интенсивный максимум излучения в зеленой части спектра. Люминесценция возбуждалась стосвечовой лампой накаливания, интенсивность излучения которой регулировалась реостатом со сменой интенсивности флуоресценции в 10 тысяч раз.
Перед началом наблюдений экспериментатор должен был адаптироваться — побыть в полной темноте в течение двадцати — тридцати минут — и лишь после этого приступить к работе. Вследствие того что измерения проводились на границе чувствительности человеческого глаза, каждый опыт повторялся тридцать — сорок раз. Чтобы исключить влияние специфических свойств глаза определенного человека, Вавилов привлек к работе в качестве наблюдателей многих товарищей по институту.