XXV чтения, посвященные 110-летию С. И. Вавилова

24 марта 2001 г. исполнилось 110 лет со дня рождения Сергея Ивановича Вавилова (1891—1951), выдающегося отечественного физика и организатора науки, президента АН СССР, создателя и директора Физического института Академии наук (ФИАН) им. П. Н. Лебедева.
Вот уже много лет почти каждую среду в конференц-зале ФИАНа проходят семинары под руководством академика Виталия Лазаревича Гинзбурга, на которые допускаются все желающие. Эти семинары являются одним из наиболее авторитетных, престижных и в то же время демократичных мероприятий российской физической науки.

28 марта очередной семинар Гинзбурга непосредственно предшествовал юбилейным Вавиловским чтениям и плавно перешел в торжественное заседание, на котором присутствовали как маститые и титулованные ученые, специально пришедшие отметить юбилей основателя ФИАНа (среди них был и Нобелевский лауреат Александр Михайлович Прохоров), так и представители самых широких слоев научной общественности.

В. Л. Гинзбург, внесший большой вклад во многие области физики и, в том числе, в развитие научного наследия С. И. Вавилова, в своей речи напомнил о выдающихся заслугах С. И. Вавилова перед отечественной и мировой наукой. Сергею Ивановичу принадлежит ряд основополагающих открытий во многих областях физики. Чем больше проходит времени, тем рельефнее представляется значение сделанного им. Его научные интересы были очень широки, но одной области физики он отдавал предпочтение — люминесценции. С. И. Вавилов заложил основы этого направления в российской науке и развил его.

Им дано определение понятия люминесценция, открыт закон, носящий его имя, введены новые понятия в учение люминесценции: поляризационные спектры, поляризационные диаграммы и многое другое. Вавилову принадлежит ряд важных работ по микроструктуре света. Еще в 1926 г. совместно с В. Л. Левшиным он обнаружил первый нелинейный оптический эффект за многие годы до появления лазеров (уменьшение поглощения стекла при увеличении интенсивности источника света). В книге “Микроструктура света” Вавилов ввел понятие нелинейной оптики. Поэтому закономерно, что регулярно проходящие конференции по когерентной и нелинейной оптике называются вавиловскими.

С именем Сергея Ивановича также связано открытие эффекта Вавилова-Черенкова, удостоенного Нобелевской премии за 1958 г. (Премию, уже после смерти Вавилова, получил П. А. Черенков, бывший аспирант Сергея Ивановича, под его руководством экспериментально открывший эффект, а также И. М. Франк и И. Е. Тамм, объяснившие его.)

Научные открытия С. И. Вавилова, его основополагающие труды и экспериментальные результаты, в частности, создание люминесцентных ламп, были трижды удостоены Государственной премии СССР (1943, 1946, 1951 гг.).

С. И. Вавилов вел также гигантскую работу как организатор науки. Он был президентом АН СССР (1945—1951), директором ФИАНа (1932—1951), научным руководителем Государственного оптического института, носящего теперь его имя. Нельзя не отметить и его талант и страсть популяризатора. Образцом научно-популярного жанра стали книги С. И. Вавилова “Глаз и Солнце”, “О теплом и холодном свете” и др. Он был одним из инициаторов создания общества “Знание”, многое сделал для научного книгоиздания в СССР как председатель редакционно-издательского совета АН СССР (с 1945 г.) и главный редактор 2-го издания “Большой Советской Энциклопедии” (с 1949 г.), член редколлегии ряда журналов. Как историк науки С. И. Вавилова в первую очередь известен своими работами, посвященными И. Ньютону и М. В. Ломоносову, написанными пером не только ученого, но и одаренного беллетриста.
Известный английский физик Джон Бернал (1901—1971) писал, что для Вавилова как человека было характерно спокойствие и сдержанное достоинство; он внушал глубокое уважение страстностью своих суждений, цельностью и прямотой характера, преданностью интересам своего Отечества.

Академик М. В. Алфимов в предисловии к своему докладу “Люминесценция и фотохимия комплексов гость-хозяин” отметил особую роль научных исследований и организаторской деятельности С. И. Вавилова в своей собственной научной судьбе, рассказав о том, что одной из первых популярных книг по физике, которую он прочел еще в школе, была книга Вавилова о люминесценции, и именно она определила круг интересов будущего ученого. М. В. Алфимов рассказал и о другом малоизвестном начинании Сергея Ивановича — о том, как он, будучи президентом АН, принял решение объединить все проблемы, связанные с регистрирующими (или, как тогда говорили, с фотографически-молекулярными) средами в особое направление науки, создать комиссию по химико-фотографическим процессам и учредить “Журнал научно-прикладной фотографии”.

Б. М. Болотовский в своем выступлении коснулся открытия, благодаря которому имя Вавилова известно наиболее широко, и не только среди специалистов. Речь идет об излучении заряда, движущегося быстрее света.

Илья Михайлович Франк, ученый, с именем которого связана правильная интерпретации явления Вавилова-Черенкова, рассказал об этом открытии в своих воспоминаниях. Там есть несколько мест, дающих представление о том, какой была обстановка в ФИАНе в первые годы его существования (образован в 1932 г.). Как рассказывал Франк, ему посчастливилось в том отношении, что уже в студенческие годы он попал в среду, где глубокое научное влияние воспринималось особенно интенсивно. Речь идет о школе Л. И. Мандельштама (1879—1944), к которой принадлежали непосредственные учителя И. М. Франка и выдающиеся физики: С. И. Вавилов, Г. С. Ландсберг и И. Е. Тамм, ученые столь различные по своим индивидуальностям. Была, однако, особенность, характерная для всей школы — это непрерывное научное общение. Вопросы теории и результаты экспериментов постоянно обсуждались, зачастую — вне научных семинаров, и никто не считал это потерей времени.

Франку казалось удивительным, что выдающиеся люди часы драгоценного времени тратят на разговоры, в которых немало внимания уделялось обсуждению того, что не получилось или оказалось ерундой. В таких беседах часто излагались мысли и идеи без всякого опасения, что их опубликует кто-то другой. Причем никто не жалел усилий, чтобы помочь формированию новых подходов, совершенно не думая о соавторстве. Для моральной атмосферы, свойственной школе Мандельштама, это было более чем естественно. Традиция непрерывного обсуждения новых работ и соображений, связанных с ними, постоянных бесед с коллегами и учениками была воспринята и С. И. Вавиловым (хотя формально он был учеником не Мандельштама, а П. П. Лазарева — ассистента и ближайшего помощника П. Н. Лебедева).

Тема первого исследования, порученного Сергеем Ивановичем молодому аспиранту Павлу Алексеевичу Черенкову (1904—1990), была выбрана не случайно. Дело в том, что 1930-е годы ознаменовались бурным развитием ядерной физики. Был открыт нейтрон, много внимания уделялось структуре ядра, и Вавилов, имея другую специальность и научные интересы, все-таки решил дать своему аспиранту тему, связанную с ядерной физикой.

П. А. Черенкову досталось изучение сведения растворов урановых солей под действием гамма-излучения радия. Свечение это было очень слабым. В лаборатории Вавилова был разработан метод его измерения. Фотоумножителей в то время еще не было, и наилучшим “инструментом” оставался человеческий глаз. Но чтобы уловить свечение, нужно было адаптировать глаз к темноте. Черенков находился около часа в абсолютной темноте — после этого глаз повышал свою чувствительность и регистрировал излучение десятков фотонов.
Сначала было решено зафиксировать излучение чистых растворителей, чтобы потом вычитать это свечение как фон. Черенков приступил к работе, и оказалось, что наблюдаемое им свечение сопоставимо с тем, которое предполагалось изучать не в чистых жидкостях, а в урановых солях. В то время считалось, что если светится жидкость, то это связано с ее недостаточной чистотой. Поэтому Черенков для дальнейших измерений стал очищать растворители. Он трижды перегнал воду, но свечение не пропало.

Эти результаты обескуражили Черенкова. Но Вавилов предложил ему провести над чистыми жидкостями все те измерения, которые в лаборатории считались стандартными.
Суть люминесценции состоит в следующем. Поглощая фотон, молекула вещества какое-то время пребывает в возбужденном состоянии, а потом “высвечивается” — излучает свет и переходит в невозбужденное состояние. В экспериментах используются так называемые “тушители” — примеси веществ, забирающих люминесцентное излучение на себя и ослабляющие световой эффект. Неожиданно оказалось, что на свечение Черенкова тушители влияния не оказывают. Кроме того, было установлено, что нагрев жидкости тоже практически не влияет на интенсивность свечения, что для люминесценции не свойственно.

Схема опыта была такой. В тонкостенном платиновом сосуде находилась жидкость. Под ним — ампула с радием (несколько сот миллиграмм). Свечение с помощью зеркала попадало в окуляр, потом — в глаз. Измерение проводилось на пороге зрения, для достижения которого применялась специальная диафрагма — оптический клин. Поляризация излучения изучалась с помощью призмы.

“В темноте все кошки серы”, т. е. цветовое зрение не работает. Поэтому для изучения спектрального состава излучения использовались светофильтры. Когда нужно было замерить показания, Черенков накидывал на себя черную материю, а ассистент делал запись.

— Они что, вместе с Черенковым сидели в темной комнате? — поинтересовался В.Л. Гинзбург в этом месте доклада.

— Да. И Сергей Иванович тоже, — ответил Б.М. Болотовский. — Тем, что он целый час сидел в темноте, чтобы адаптировать глаза, пользовались его ученики. Они приходили к Вавилову в темную комнату и обсуждали свои проблемы, а потом уже начинались измерения.

Больше одного-двух часов в день работать не удавалось: глаз уставал и начинались ошибки. Поразительно, что ни одно измерение Черенкова не оказалось неправильным. Его эксперименты отличались необычайной добросовестностью и надежностью.

Позднее появились источники радиационного облучения гораздо большей интенсивности, чем ампула с радием. Легче стало измерять, можно было легко фотографировать, а у Черенкова экспозиция фотографий составляла 72 часа...

Из этих экспериментов было выяснено, что наблюдаемое явление не есть люминесценция, а его максимум относится к синей части спектра. Вавилов считал, что источником излучения являются электроны. Но в то время был известен только один механизм такого излучения — тормозное излучение. Вавилов считал, что электроны тормозятся в среде — и вследствие этого становятся источником излучения.

Впоследствии оказалось, что это не так: здесь излучают равномерно движущиеся частицы. Но указание Сергея Ивановича насчет роли электронов было правильным и определило весь ход дальнейших исследований.

На одном из семинаров ученик Вавилова В.В. Антонов-Романовский предложил поместить установку Черенкова в магнитное поле, чтобы доказать, что источником излучения действительно являются электроны. Магнитное поле отклоняет электроны и, как предполагалось, поляризация излучения при этом меняется. Оказалось, однако, что изменилась не только поляризация, но и интенсивность излучения. Это означало, что излучение было направленным. Вавилов обсуждал это явление с теоретиками, в том числе с И. М. Франком, а тот — с И. Е. Таммом, который заметил, что если излучение направлено, то, значит, оно собирается на большой длине, обусловливающий его более “узкую” направленность. Замечание Тамма оказалось для Франка очень важным. Он стал смотреть, как излучение может собираться с большого пути.

У него получилась такая картина: заряженная частица движется со скоростью V и в каждой точке траектории она возбуждает сферические волны, распространяющиеся со скоростью света в среде, равной c/n, где c — скорость света, n — показатель преломления среды. У этих волн есть огибающая — конический волновой фронт.

Эта простая картинка сразу позволила объяснить угловую направленность излучения. Действительно, волна распространяется под углом к скорости электрона.
Франк обсуждал это явление со многими теоретиками: М. А. Марковым, М. А. Леонтовичем и др. Все они отнеслись к объяснению ученого прохладно. Впоследствии М. А. Леонтович, когда начиналось какой-либо научный разговор, в котором Илья Михайлович Франк мог что-то разъяснить, говорил:

— Лучше спросите Илью. Он человек серьезный. Я один раз его не послушал и упустил Нобелевскую премию...

С объяснением нового эффекта Франк пришел к И.Е. Тамму. Окончательный результат они получили достаточно быстро. Это было в 1937 г. Вскоре была опубликована работа, в которой содержалась практически вся теория излучения Черенкова.

По совету Вавилова, Черенков написал небольшую заметку в английский журнал “Nature”, в которой он подытожил результаты своих измерений и привел объясняющую эффект формулу Франка и Тамма. Но там заметку напечатать отказались. Тогда Сергей Иванович отправил ее в “Physical Review”. Она была там напечатана и вызвала отклики. Начались измерения, причем в условиях, более благоприятных, чем у Черенкова: использовался пучок электронов из ускорителя, так что свечение было более ярким. Все измерения подтвердили теорию Тамма и Франка...

С тех пор на Западе это явление обычно называют эффектом Черенкова. Так называл его и сам С. И. Вавилов. Но лет через пять после его кончины ученики Сергея Ивановича, в том числе И. М. Франк, решили отразить решающую роль своего руководителя и назвали это излучение эффектом Вавилова-Черенкова.

Объяснение эффекта часто понимали неверно. Излучение Вавилова-Черенкова порождается частицей, которая движется равномерно в преломляющей среде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде.

Но как же это происходит? Если, например, взять среду с коэффициентом преломления n=3/2, то скорость света в такой среде — не 300 000 км/с, как в вакууме, а только 200 000 км/с. Электроны, обладающие даже умеренными энергиями, могут в такой среде обогнать свет.
Второй вопрос был более каверзным. Обыкновенный равномерно движущийся заряд не излучает. Но почему он начинает излучать, когда скорость электрона превосходит свет? Объяснение с помощью принципа Гюйгенса, использованное Франком, дает правильный ответ. В каждой точке заряд испускает сферические волны. Если скорость его меньше скорости света, то для равномерно движущегося заряда все эти волны взаимно гасят друг друга. Но если заряд движется быстрее света в среде, то появляется отличное от нуля результирующее излучение.

Когда эффект Вавилова-Черенкова был только-только открыт, о его применении речи не было, так как излучение было очень слабым и регистрировать его было трудно. Однако впоследствии был изобретен фотоумножитель — устройство, позволяющее измерять очень слабые пучки света, намного слабее, чем те, с которыми работал Черенков. И в 1947 г. был создан счетчик, регистрирующий частицы по их черенковскому излучению. Он представлял из себя пластмассовый конус, заполненный средой. Если частица проходила вблизи оси, ее излучение отражалось стенками конуса и улавливалось фотоумножителем.

Теперь счетчик Черенкова имеется во всех лабораториях, которые занимаются физикой высоких энергий. Такие счетчики имеют преимущество по сравнению со счетчиком Гейгера — они не просто регистрируют попадание частицы в счетчик, но и ее направление, а, измеряя черенковский угол, можно найти скорость и энергию частицы.

Неожиданное применение эффект Вавилова-Черенкова нашел в биологии. Сравнительно недавно ученые установили, почему у глубоководных рыб есть глаза, причем, как правило, огромные: ведь вода поглощает свет, а потому на больших глубинах должна, казалось бы, царить абсолютная темнота. Объясняли это тем, что у этих животных есть фосфоресцирующие клетки, которые, подобно габаритным огням автомобилей, помогают им видеть друг друга и взаимно ориентироваться.

Но оказалось, что на глубине нет темноты. В морской воде имеется радиоактивный изотоп калия. Его распад служит причиной слабого черенковского излучения — несколько тысяч фотонов на см2 в секунду. Этого света хватает рыбам, чтобы видеть.
Еще одно проявление эффекта наблюдалось в космонавтике. Когда американцы летали на Луну, астронавты по возвращении — все без исключения — говорили, что вдали от Земли они ощущали в глазах вспышки. У нас такие вспышки наблюдались на орбите космонавтом Рукавишниковым. Это объясняется излучением Вавилова-Черенкова при попадании космических частиц в тело глаза.

Для подтверждения такого вывода в американском научном центре в Беркли провели исследование эффекта. Слабый пучок протонов из ускорителя направлялся в глаз испытуемого, и тот действительно наблюдал вспышки.

Сейчас ряд радиоастрономических станций переходит на изучение черенковского излучения космических ливней — потоков высокоэнергетичных частиц космического происхождения. Эти измерения производятся не на оптических, а на радиочастотах, так как быстрые частицы, пролетая через атмосферу, порождают черенковское излучение в радиодиапазоне. Впервые это предположил В Л. Гинзбург. Недавно его гипотеза была подтверждена.