Читаем без скачивания В поисках чуда (с илл.) - Лев Бобров

Ультрафиолетовые уже существуют.

Луч можно перекрасить!

Зловонное исчадие выхлопных труб, тянущееся шлейфом позади автомобиля, на темном фоне кажется сизым. Но взгляните сквозь дым на снег: облачко неожиданно предстанет перед вашими глазами… бурым! Ясно, что скопище мельчайших крупинок не обладает собственным цветом — в отличие, скажем, от чернил. Его окраска обусловлена рассеянием света. Правда, облака тоже состоят из крохотных частичек. Между тем плывут над нами восхитительными белоснежными клубами. Вся хитрость тут вот в чем: составляющие их водяные капельки крупнее дымовых — тех, что образованы из дегтеподобной жидкости, возникающей при горении топлива. И рассеивают свет иначе — все волны примерно одинаково, без особого пристрастия к сиреневым тонам.

Открыв эти законы, английский физик Рэлей на грани нашего и минувшего века объяснил многократно воспетую лириками переменчивую окраску неба.

Ее виновники — молекулы воздуха, считал он. Они мельче крупинок дыма и, стало быть, рассеивая солнечный свет, еще пуще выметают из него голубизну, «насыщая» ею атмосферу. Потому-то полуденное небо и напоминает «синий шелк», а солнечный лик с земной поверхности кажется желтее, чем он есть на самом деле. Иное дело утром и вечером. Солнечные лучи по отношению к нам падают уже не отвесно, а косо. Путь, который пробегают они в атмосфере, отбирающей у них синеву, длиннее. Свет достигает наших глаз, уже растеряв по дороге почти весь свой «небесный цвет». Лишившись сине-фиолетового слагаемого своей семицветной гаммы, он проникает в наши зрачки покрасневшим (вспомните «бурый» дым!).

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 меньше длины световой волны) действует под стать дымовой частице. Но если крупинка или капелька — образование устойчивое, долговечное, то локальное уплотнение в газе, напротив, эфемерно, неуловимо быстротечно. Периодически сменяясь разрежением, оно то сильнее, то слабее рассеивает свет. Эта искрометная рябь должна придавать воздушному океану игристость шампанского. Атмосфера должна мерцать! Но если даже газоразрядные лампы, моргающие относительно редко (периодичность — 50 герц) создают иллюзию непрерывного сияния, то стоит ли говорить о более высокочастотных и слабых, к тому же еще микроскопических небесных вспышках? Их не так-то просто обнаружить даже чувствительнейшей аппаратурой.

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…