«Если среда оптически неоднородна, то, вообще говоря, падающий свет будет рассеиваться и в стороны».
Но так как размеры неоднородностей, возникающих в результате хаотического движения, меньше длины световых волн, то рассеиваться будут преимущественно волны, соответствующие фиолетовой и синей части спектра. А это приводит, в частности, к голубой окраске неба.
Так была окончательно решена загадка небесной лазури. Теоретическая часть была разработана Рэлеем. Физическая природа рассеивателей была установлена Мандельштамом.
Большая заслуга Мандельштама заключается в том, что он доказал, что предположение о совершенной однородности газа несовместимо с фактом рассеяния в нем света. Он понял, что голубой цвет неба доказывает, что однородность газов только кажущаяся. Точнее, газы представляются однородными только при исследовании грубыми приборами, такими, как барометр, весы или другие приборы, на которые воздействуют сразу многие миллиарды молекул. Но световой луч ощущает несравнимо меньшие количества молекул, измеряемые лишь десятками тысяч. И этого достаточно, чтобы бесспорно установить, что плотность газа непрерывно подвергается небольшим местным изменениям. Поэтому однородная с нашей «грубой» точки зрения среда в действительности неоднородна. С «точки зрения света» она кажется мутной и поэтому рассеивает свет.
Случайные местные изменения свойств вещества, образующиеся в результате теплового движения молекул, теперь носят название флуктуаций. Выяснив флуктуационное происхождение молекулярного рассеяния света, Мандельштам проложил дорогу новому методу исследования вещества – флуктуационному, или статистическому, методу, впоследствии развитому Смолуховским, Лорентцем, Эйнштейном и им самим в новый крупный отдел физики – статистическую физику.
Небо должно мерцать!
Итак, тайна голубого цвета неба была раскрыта. Но изучение рассеяния света на этом не прекратилось. Обратив внимание на почти неуловимые изменения плотности воздуха и объяснив окраску неба флуктуационным рассеянием света, Мандельштам своим обостренным чутьем ученого обнаружил новую, еще более тонкую особенность этого процесса.
Ведь неоднородности воздуха вызваны случайными колебаниями его плотности. Величина этих случайных неоднородностей, плотность сгустков меняется со временем. Поэтому, рассуждал ученый, должна меняться со временем и интенсивность – сила рассеянного света! Ведь чем плотнее сгустки молекул, тем интенсивнее рассеянный на них свет. А так как эти сгустки возникают и исчезают хаотически, то небо, попросту говоря, должно мерцать! Сила его свечения и его цвет должны все время (но очень слабо) изменяться! Но разве кто-нибудь, когда-нибудь замечал такое мерцание? Конечно, нет.
Это эффект настолько тонкий, что простым глазом его не заметишь.
Ни один из ученых тоже не наблюдал подобного изменения свечения неба. Не имел возможности проверить выводы своей теории и сам Мандельштам. Организации сложнейших экспериментов препятствовали сначала скудные условия царской России, а потом трудности первых лет революции, иностранной интервенции и гражданской войны.
В 1925 году Мандельштам стал заведующим кафедрой в Московском университете. Здесь он встретился с выдающимся ученым и искусным экспериментатором Григорием Самуиловичем Ландсбергом. И вот, связанные глубокой дружбой и общими научными интересами, они вместе продолжили штурм тайн, скрытых в слабых лучах рассеянного света.
Оптические лаборатории университета в те годы были еще очень бедны приборами. В университете не оказалось ни одного прибора, способного обнаружить мерцание неба или те маленькие различия в частотах падающего и рассеянного света, которые, как предсказывала теория, являются результатом этого мерцания.
Однако это не остановило исследователей. Они отказались от мысли имитировать небо в лабораторных условиях. Это только усложнило бы и без того тончайший опыт. Они решили изучать не рассеяние белого – сложного света, а рассеяние лучей одной, строго определенной частоты. Если они будут точно знать частоту падающего света, будет много легче искать те близкие к ней частоты, которые должны возникнуть при рассеянии. Кроме того, теория подсказывала, что наблюдения легче проводить в твердых телах, так как в них молекулы расположены гораздо теснее, чем в газах, а рассеяние тем больше, чем плотнее вещество.
Начались кропотливые поиски наиболее подходящих материалов. Наконец выбор пал на кристаллы кварца. Просто потому, что крупные прозрачные кристаллы кварца доступнее, чем любые другие.
Два года длились подготовительные опыты, отбирались наиболее чистые образцы кристаллов, совершенствовалась методика, устанавливались признаки, по которым можно было бесспорно отличить рассеяние на молекулах кварца от рассеяния на случайных включениях, неоднородностях кристалла и загрязнениях.
Остроумие и труд
Не обладая мощной аппаратурой для спектрального анализа, ученые избрали остроумный обходный путь, который должен был дать возможность воспользоваться имеющимися приборами.
Основной трудностью в этой работе было то, что на слабый свет, вызванный молекулярным рассеянием, накладывался намного более сильный свет, рассеянный небольшими загрязнениями и другими дефектами тех образцов кристаллов, которые удалось заполучить для опытов. Исследователи решили воспользоваться тем, что рассеянный свет, образованный дефектами кристалла и отражениями от различных частей установки, точно совпадает по частоте с падающим светом. Их же интересовал только свет с частотой, измененной в соответствии с теорией Мандельштама, Таким образом, задача состояла в том, чтобы на фоне этого намного более яркого света выделить свет измененной частоты, вызванный молекулярным рассеянием.
Чтобы рассеянный свет имел величину, доступную регистрации, ученые решили освещать кварц самым мощным из доступных им осветительных приборов: ртутной лампой.
Итак, свет, рассеянный в кристалле, должен состоять из двух частей: из слабого света измененной частоты, обусловленного молекулярным рассеянием (исследование этой части являлось целью ученых), и из гораздо более сильного света неизмененной частоты, вызванного посторонними причинами (эта часть была вредной, она затрудняла исследование).
Идея метода привлекала своей простотой: надо поглотить свет неизменной частоты и пропустить в спектральный аппарат только свет измененной частоты. Но различия частоты составляли лишь несколько тысячных долей процента. Ни в одной лаборатории мира не существовало фильтра, способного разделить столь близкие частоты. Однако выход был найден.
Рассеянный свет был пропущен через сосуд с парами ртути. В результате весь «вредный» свет «застрял» в сосуде, а свет «полезный» прошел без заметного ослабления. Экспериментаторы при этом воспользовались одним уже известным обстоятельством. Атом вещества, как утверждает квантовая физика, способен излучать световые волны только вполне определенных частот. Вместе с тем этот атом способен и поглощать свет. Причем только световые волны тех частот, которые он сам может излучать.
В ртутной лампе свет испускается парами ртути, светящейся под влиянием электрического разряда, происходящего внутри лампы. Если этот свет пропустить через сосуд, также содержащий пары ртути, он будет почти полностью поглощен. Случится то, что предсказывает теория: атомы ртути в сосуде поглотят свет, излучаемый атомами ртути в лампе.
Свет от других источников, например от неоновой лампы, пройдет сквозь пары ртути невредимым. На него атомы ртути даже не обратят внимания. Не будет поглощена и та часть света ртутной лампы, которая рассеялась в кварце с изменением длины волны.
Вот этим-то удобным обстоятельством и воспользовались Мандельштам и Ландсберг.
Удивительное открытие
В 1927 году начались решающие опыты. Ученые осветили кристалл кварца светом ртутной лампы, обработали результаты. И... удивились.
Результаты опыта были неожиданны и необычны. Ученые обнаружили совсем не то, что ожидали, не то, что было предсказано теорией. Они открыли совершенно новое явление. Но какое? И не ошибка ли это? В рассеянном свете были обнаружены не ожидаемые частоты, но частоты гораздо более высокие и более низкие. В спектре рассеянного света появилась целая комбинация частот, которых не было в падающем на кварц свете. Объяснить их появление оптическими неоднородностями в кварце было просто невозможно.
Началась тщательная проверка. Опыты проводились безупречно. Они были задуманы настолько остроумно, совершенно и изобретательно, что ими нельзя было не восторгаться.
