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.
С помощью аналогичных опытов было бы можно обнаружить квантовые явления и в другом типично волновом процессе — в дифракции света — в явлениях, наблюдающихся при прохождении света мимо резких краев непрозрачных или прозрачных тел или сквозь узкие отверстия, отчего нарушается прямолинейность распространения света и наблюдается отклонение от законов геометрической оптики.
Однако, по мнению Сергея Ивановича, в обнаружении квантовых явлений в дифракции не было необходимости, потому что они вытекали из установленного и проверенного им на опытах флуктуационного принципа, который он сформулировал так: «Каждый изолированный каким угодно способом световой пучок при достаточно малой мощности проявляет флуктуации интенсивности, происходящие совершенно самостоятельно и независимо от колебаний в каком-либо другом пучке».
Работы С. И. Вавилова по изучению квантовых флуктуаций света, осуществленные в тридцатые годы, поражают остроумием, тщательностью и огромным экспериментальным мастерством. В то время не было приборов, чувствительностью превосходящих человеческий глаз, таких, как современные фотоэлектронные умножители, которые являются гораздо более чувствительными, чем глаз, приемниками света во всех диапазонах оптических частот (с помощью подобных приборов квантовые флуктуации света могут наблюдаться без особого труда). Однако найденные Вавиловым закономерности не устарели, они блестяще подтверждаются и при пользовании современной аппаратурой. В частности, в конце пятидесятых годов профессор Сергей Федорович Родионов распространил эти закономерности на ультрафиолетовую и рентгеновскую области спектра.
Работы Вавилова по квантовым флуктуациям света получили всемирную известность. В 1943 году за исследования в области квантовых флуктуаций света и цикл работ в области молекулярной люминесценции Сергей Иванович был удостоен Государственной премии СССР.
Холодный свет
Несмотря на то что исследования С. И. Вавилова по установлению природы световых явлений имеют очень большое значение, все же его основные научные заслуги относятся к другому разделу физической оптики — люминесценции, изучением которой он занимался большую часть жизни. Люминесценция прежде всего привлекала его тем, что в ней особенно четко проявлялись квантовые свойства света.
Люминесценция — один из видов излучения вещества. Она представляет собой свечение атомов, молекул, ионов и других более сложных комплексов элементарных частиц, возникающее в результате электронных переходов в этих частицах при их возвращении из возбужденного состояния в нормальное. Возникновение люминесценции не связано с нагреванием излучающих тел, поэтому ее нередко называют холодным светом.
Люминесценция с незапамятных времен привлекала внимание исследователей. Ею интересовался еще древнегреческий философ Аристотель. Первые попытки исследовать это явление относятся к началу XVII века. Несколько позднее его изучением занялись такие корифеи науки, как Галилео Галилей, Роберт Бойль, Исаак Ньютон, Леонард Эйлер, Руджер Иосип Бошкович и другие выдающиеся ученые. Первые систематические работы по люминесценции были выполнены в середине прошлого века англичанином Джорджем Габриелем Стоксом и французом Александром Эдмоном Беккерелем. Значительный вклад в учение о люминесценции внес русский академик Василий Владимирович Петров. Однако работы всех этих ученых носили случайный характер.
Лишь в начале XX столетия учение о люминесценции стало складываться в самостоятельный раздел науки. Объясняя сложившуюся ситуацию, С. И. Вавилов писал: «Основная причина этого в том, что понимание люминесценции, хотя бы в самых общих чертах, стало возможным только со времени открытия квантовых свойств света и вещества, т. е. с начала XX века. С другой стороны, серьезные технические применения люминесценции могли реализоваться лишь на основе новых физических и технических результатов в других областях. ...Коротко говоря, развитие люминесценции тормозилось отсутствием правильного теоретического стержня и больших технических применений».
Увлекшись в двадцатые годы явлениями люминесценции, С. И. Вавилов отдал тридцать лет жизни их изучению и навсегда связал свое имя с этим разделом науки. В своих исследованиях по люминесценции он установил важнейшие закономерности этого вида свечения. Сергей Иванович заложил основы учения о люминесценции. Прежде всего он обратился к растворам красителей и изучил оптические свойства их молекул. Общая их энергия, подобно энергии других молекул, складывается из энергии электронов, энергии колебаний отдельных частей молекул и их вращения как целого. В соответствии с этим различают электронные, колебательные и вращательные спектры молекул.
В 1922 году С. И. Вавилов опубликовал работу «Природа широких полос поглощения в видимом спектре», в которой старался выяснить природу электронных полос поглощения молекул красителей, расположенных в видимой части спектра. Он установил, что электронные полосы поглощения различных красителей обладают одинаковой формой (распределением интенсивностей поглощенной энергии по частотам или длинам волн). Действительно, если совместить эти полосы, перемещая их по шкале длин волн, то они практически совпадают между собой. Позднее Сергей Иванович пришел к выводу, что универсальность формы видимых электронных полос поглощения красителей обусловлена не индивидуальными свойствами их отдельных молекул, а является результатом непрерывных взаимодействий между их колебательными и электронными состояниями.