Сергей Иванович продолжал напряженные оптические исследования, постепенно расширяя их тематику. В год рождения сына он начал серию работ в одном из самых неизведанных разделов оптики — люминесценции.
Тогда же перешел к нему, оставив работы по акустике, 25-летний Вадим Леонидович Левшин. С тех пор и на долгие годы Левшин стал ближайшим помощником и соратником С. И. Вавилова, участником многих совместно ими вдвоем проведенных исследований. Позднее этот самый близкий Сергею Ивановичу товарищ по работе стал крупнейшим советским специалистом по люминесценции.
Как-то раз Сергей Иванович признался Левшину, что сомневается в правильности собственных выводов из первых опытов по проверке закона Бугера.
— Может быть, никакого противоречия с квантовой гипотезой там не было? — сказал Сергей Иванович. — Давайте рассуждать с позиций защитников гипотезы.
Вот происходит мощное облучение поглощающего вещества. Поток фотонов, поглощаясь молекулами, переводит их в возбужденное состояние. Но ведь в этом состоянии молекулы пребывают недолго. Я пользовался, в частности, такими красителями, как флуоресцеин, эозин и родамин. Я растворял их в воде. Но молекулы родамина, например, находятся в состоянии возбуждения всего лишь миллиардные доли секунды. Мгновение — и молекула выбрасывает квант света люминесценции. Чтобы возбудить ее снова, надо посылать к молекуле новый квант возбуждающего света, новый фотон.
Разговор происходил в лабораторной комнате. Левшин внимательно слушал. Все до сих пор сказанное было ему хорошо знакомо.
Сергей Иванович продолжал:
— Чтобы обнаружить изменение коэффициента поглощения, нужно, чтобы заметная доля молекул родамина находилась в возбужденном состоянии. А для этого к каждой молекуле нужно подводить сотни миллионов квантов в секунду. Это огромная энергия.
— Да, достигнуть такого состояния, по-видимому, очень трудно. Не хватит мощности средней электростанции.
Вавилов задумался.
— У нас, однако, есть выход, — сказал он спустя минуту. — Этот выход — применить поглощающее вещество с длительным послесвечением. Надо найти вещество, молекулы которого долго сохраняли бы состояние возбуждения.
…И они его нашли. Ценою долгих поисков и многих разочарований, но нашли. Это были ураниловые соединения, соли уранил-нитрата. Будучи облучены, они сохраняли возбуждение пять десятитысячных секунды — более чем в сто тысяч раз дольше, чем молекулы родамина.
В 1926 году оба физика предприняли новую попытку проверить соблюдение пропорциональности между величиной поглощенного света и интенсивностью падающего света при сильных облучениях. Направляя на урановое стекло, помещенное в приборе, свет мощной конденсированной электрической искры, исследователи убедились, что коэффициент поглощения в данном случае изменяется. Закон Бугера оказался нарушенным.
Это был сокрушительный удар по прежним, классическим представлениям о природе света. Если свет — чисто волновой процесс, неясно, почему характер его поглощения должен меняться с изменением интенсивности светового потока. Возможность нарушения основного закона абсорбции — логическое следствие только одной причины: квантовой структуры света. Если нарушение налицо — значит гипотеза о прерывном строении электромагнитного потока справедлива.
Квантовая теория решительно подтверждалась опытами Вавилова и Левшина при сильных интенсивностях.
Оставалась другая крайняя область: очень малых интенсивностей. Если свет прерывен, прерывность должна была сказаться и в этой области. Почему во время опытов 1920 года закон Бугера здесь соблюдался?
Сергей Иванович восстанавливал в памяти обстановку первых опытов. Он вспоминал, как передвигал шибер реостата и старался установить его в положение, точно соответствующее порогу зрения. Постепенно тонкий механизм процесса четко вырисовывался в его воображении. Позднее, в одной из лучших своих работ, «Микроструктура света», ученый кристальным языком описал выводы, которые когда-то сделал.
У человеческого глаза есть еще одна — кроме наличия порога зрения — физиологическая особенность, важная для оптика. Глаз удерживает зрительные впечатления, поступающие к нему в течение одной десятой секунды. В кино эта инертность восприятия помогает создавать эффект непрерывности действия. В опытах по визуальному наблюдению фотонов она суммирует действие всех квантов света, приходящих за десятую долю секунды к зрительному нерву. Количество фотонов как бы увеличивается при этом, и статистические флуктуации становятся менее заметными.
В конечном счете наступает усреднение всех показателей. Стремится к среднему значению, к постоянной величине и коэффициент абсорбции.
«Если б можно было создать настолько малый световой поток, чтобы за одну десятую секунды в глаз попало фотонов столько, сколько их соответствует пороговому значению, — вероятно, рассуждал Вавилов, — что тогда получится? В некоторый момент времени под влиянием флуктуации число световых квантов, попавших в глаз, превысит порог зрительного ощущения, и наблюдатель увидит световую вспышку. В другой момент эти же флуктуации приведут к иному эффекту: число фотонов окажется меньше порога зрения, и глаз не заметит посланного светового сигнала. В конечном счете наблюдатель отметит неравномерность вспышек. Он совершенно определенно обнаружит флуктуации. В сущности говоря, тем самым он как бы увидит кванты».
«Но разве это возможно? — звучал другой, скептический голос из глубины сознания. — Наш глаз привык к огромным световым потокам; к нему со всех предметов, которые он видит, устремлены лавины квантов. Как различит он колебания десятков и даже единиц фотонов?»
«Глаз человека, — упорствовал первый голос, — одно из чудес природы. Пока он самый чувствительный в мире оптический измерительный прибор. Ни один лабораторный инструмент не доведен еще до чувствительности и устойчивости, необходимых при исследовании флуктуации света. Но глаз пригоден для этой цели».
С. И. Вавилов твердо решил «увидеть кванты». Это был очень смелый, чтобы не сказать — неосуществимый, замысел. Почти никто не верил в возможность визуально обнаружить прерывную структуру света. Но ученый-оптик упорно шел к намеченной цели. Исследования, установившие нарушение закона Бугера при поглощении света урановым стеклом, а также общие успехи квантовой теории постепенно сделали Вавилова страстным приверженцем новых идей.
Сергей Иванович не мог успокоиться, не получив наглядных представлений о действии отдельных квантов света. А для этого надо было как-то проследить их изолированное действие.
