Текст книги "Проклятые вопросы"

Автор книги: Ирина Радунская

сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 23 страниц)

Возможности ЯМР-томографии расширяются тем, что ядерный магнитный резонанс может быть получен не только от протонов, но и от ядер фосфора, в большом количестве содержащихся в важных компонентах живых организмов, и от ядер фтора.

ЯМР-томография может найти важное применение в промышленности и торговле, например для полного бесконтактного контроля упакованных пищевых продуктов, таких, как масло, сыр, маргарин и других, в состав которых входят соединения, содержащие водород. Ранее здесь мог быть применён только выборочный контроль.

Связи различных разделов науки между собой и связи науки с жизнью так же глубоки и беспредельны, как сама жизнь.

ПРЕДКИ И РОЖДЕНИЕ ЛАЗЕРОВ

Открытие одной и той же формулы в одно и то же время двумя учёными…

является очень любопытным случаем с точки зрения теории вероятностей.

Х.А. Лоренц

ТУЧНЫЕ ГОДЫ

Если будущий историк захочет установить, когда именно учёные, более двух тысячелетий проникавшие в сущность света и атомов, сделали первый непосредственный шаг к лазерам, он, несомненно, вспомнит притчу о семи тучных и семи тощих коровах.

Кто из безымянных авторов Библии придумал эту притчу?

Урожайные годы бывают не только на полях, но и в лабораториях. В 1895 году А.С. Попов изобрёл радио. Тогда же Ж.Б. Перрен обнаружил отрицательный заряд катодных лучей Крукса и тем положил начало электронике. (Много лет спустя наш замечательный современник академик А.И. Берг объединил этих близнецов в синтетическую науку – радиоэлектронику.) В том же году В.К. Рентген, поддавшись всеобщему увлечению исследованиями катодных лучей, открыл новые икс-лучи, впоследствии названные его именем.

Следующий, 1896 год тоже принадлежал к тучным. Анри Беккерель, внук известного физика Антуана Беккереля, продолжал исследования свечения солей урана, таинственного явления, ставшего главным увлечением его отца Эдмона Беккереля. Оказывается, и в физике существуют династии: сын Анри Беккереля, Жан, тоже был известным физиком.

Но возвратимся к Анри Беккерелю, изучавшему люминесценцию ураниловых солей, которые ярко светились в темноте, если их до того выставляли под лучи солнца. Он открыл невидимое излучение солей урана, не связанное с предварительным освещением.

Узнав, что недавно открытые Рентгеном икс-лучи вызывают утечку электрического заряда с заряженного тела, Беккерель решил проверить, не способно ли к этому же открытое им излучение. Опыт подтвердил его догадку. Теперь он мог пользоваться двумя методами – фотографическим и электрическим. Прошло лишь два года, и супруги Кюри обнаружили, что торий обладает теми же свойствами, что и уран. Они ввели термин «радиоактивность» для обозначения особого свойства тех веществ, которые способны испускать «лучи Беккереля». Заметив, что некоторые минералы радиоактивнее тория и урана, они начали искать причину этого и обнаружили полоний, названный так в честь Польши – родины Марии Кюри, а затем радий, наиболее радиоактивный из всех известных до того радиоактивных элементов. На рубеже нашего века Беккерель обнаружил, что его лучи отклоняются магнитом, а Э. Резерфорд, о котором мир узнал лишь впоследствии, установил, что эти лучи состоят из двух частей. Он назвал одну из них альфа-излучением (она сильно поглощалась веществом), а другую – бета-излучением (она поглощалась значительно слабее).

Вскоре П. Вийяр обнаружил ещё более проникающую компоненту, совсем не отклоняемую магнитом. Он назвал её гамма-излучением.

Постепенно было установлено, что альфа-лучи заряжены положительно, бета-лучи – отрицательно, а гамма лучи совсем не несут заряда, чем напоминают лучи Рентгена. Удалось установить поразительный факт: частицы бета-лучей имеют различные скорости, а отношение их заряда к массе менялось в зависимости от скорости частиц. Это заставило вспомнить о старой мысли М. Абрагама, предположившего, что масса электрона, по крайней мере частично, зависит от окружающего его электромагнитного поля. Возник вопрос: не являются ли бета-лучи электронами?

Радиоактивные процессы возникают в самых глубинах атомов, в их ядрах, и сопровождаются выделением тепла. Пьер Кюри вместе с А. Лабордом изучили процесс и двумя способами определили, что каждый грамм радия ежечасно выделяет 100 калорий энергии. Откуда она берется?

Ещё раньше Мария Кюри предположила, что тепло выделяется радиоактивным веществом во время испускания лучей Беккереля и при этом радиоактивные вещества очень медленно изменяются. Но такая гипотеза противоречила всем основам науки – закону сохранения энергии (откуда берётся эта энергия?), закону сохранения вещества (как может изменяться радиоактивное вещество?) и интуитивному многовековому представлению о неизменности атомов.

Испугавшись собственной смелости, Мария выдвинула вторую гипотезу: радиоактивные вещества улавливают неизвестное внешнее излучение, недоступное нашим приборам, и преобразуют его в тепло и энергию радиоактивного излучения.

Время показало, что и в науке безграничная смелость лучше рабской осторожности. Все три грозных возражения против первой из гипотез превратились в её незыблемые доказательства.

ОЗАРЕНИЕ ДЖИ-ДЖИ

Исследования радиоактивности привели к открытию радиоактивных превращений атомов. Эйнштейн выявил глубокую связь между энергией и веществом и объединил два старых закона в единый закон сохранения энергии и вещества – в закон сохранения материи.

Все явственнее назревала необходимость осознать сложные законы радиоактивных превращений, представлявшихся учёным массой несвязанных эмпирических гипотез. Особенно настоятельным это стало после 1908 года, когда Резерфорд установил, что альфа-частицы, вылетающие из радиоактивных веществ, представляют собой полностью ионизированные атомы гелия. Гелий получается из радиоактивных элементов! Столь крамольное предположение стало реальностью.

Нужно было решиться приступить к решению загадки атома. До того существовало лишь старое и весьма общее предположение У. Праута о том, что атомы всех веществ каким-то способом образуются из водорода. Гипотеза, основанная на кратности атомных весов, верность которой стала сомнительной после уточнения измерения атомных весов ряда элементов, обнаруживших существенное отклонение от кратности. (Впоследствии, после открытия изотопов, это возражение отпало, однако гипотеза Праута уже была не нужна).

Первую модель атома предложил Джозеф Джон Томсон, знаменитый Джи-Джи, которого иногда путают с не менее знаменитым Уильямом Томсоном, впоследствии получившим титул лорда Кельвина.

Короткое время Джи-Джи считал, что хорошей моделью атома могут служить магнитики А. Майера. Майер подвешивал над сосудом с водой большой магнит, а на воду пускал маленькие пробочки с воткнутыми в них намагниченными иглами.

Маленькие магнитики устанавливаются в устойчивые конфигурации: один в центре, под большим магнитом, во круг него шесть магнитиков, образующих правильный шестиугольник, затем десятиугольник больших размеров и вокруг него двенадцатиугольник. Майер заметил, что, покачав большой магнит, можно заставить маленькие магнитики переместиться. И тогда внешние конфигурации превращаются в девяти– и тринадцатиугольники. Майер считал, что это напоминает поведение некоторых реальных тел, способных изменять свои свойства при затвердении.

Впрочем, вскоре Томсон понял, что эта модель слишком сложна и не может описать многие известные свойства атомов.

В игру включился Уильям Томсон. Он заметил, что опыты с лучами Крукса, как тогда называли катодные лучи, которые, по существу, являются потоком электронов, летящих в вакууме, и бета-частицами, свидетельствуют о том, что электроны пролетают не только между атомами, но и сквозь них. Он предполагал, что электрон, находящийся вне атома, притягивается к нему с силой, пропорциональной квадрату расстояний между их центрами. Если же электрон пролетает внутри атома, то притяжение пропорционально первой степени этого расстояния. Так могло быть, но только в том случае, если весь объём атома заполнен чем-то, имеющим положительный заряд, а размеры электронов много меньше размеров атомов.

Томсон считал, что нейтральность атома обеспечивается тем, что в нём существует ровно столько электронов, сколько нужно для компенсации положительного заряда. Они располагаются по сферическим поверхностям и, возможно, вращаются вокруг центра.

Такая модель, известная под названием «атома Томсона», просуществовала более десятилетия, хотя было ясно, что она не объясняет многих фактов и не отвечает требованиям устойчивости. Так ещё раз проявила свою иронию Её Величество Наука, милостивая к корифеям, покорно несущим её шлейф, и пренебрегающая провидцами, обгоняющими её неспешную величественную поступь.

В декабре того же 1903 года, когда оба Томсона, более молодой Джи-Джи и маститый лорд Кельвин, закончили в общих чертах построение моделей атома, японский физик X. Нагаока сообщил Токийскому физико-математическому обществу о своей модели атома, построенной наподобие системы Сатурна и его колец. В следующем году это сообщение появилось в лондонском журнале «Природа», но не вызвало особого резонанса среди физиков. Сейчас мы можем лишь удивляться подобному невниманию и пытаться объяснить его гипнотизирующим влиянием авторитета, инерцией ума или традиционной ссылкой на судьбу идей, опередивших своё время.

Нагаока исходил из ясно осознанной необходимости объяснить закономерности спектральных серий и явления радиоактивности. Его статья называлась «О динамической системе, иллюстрирующей спектральные линии и явление радиоактивности». Он писал: «Атом состоит из большого числа частиц одинаковой массы, расположенных по кругу через равные угловые интервалы и взаимно отталкивающихся с силой, обратно пропорциональной расстоянию между ними. В центре круга помещается тяжёлая частица, которая притягивает другие частицы, образующие кольцо, по тому же закону… Рассмотренная система будет реализована, если по кольцу разместятся электроны, а положительный заряд в центре».

Модель Нагаоки могла объяснить отклонения альфа частиц, наблюдавшиеся X. В. Гайгером и Э. Марсденом при прохождении альфа-частиц через тонкие листы металлической фольги. Модель атома Томсона была здесь бессильна. Несмотря на все это, планетарная модель атома прочно ассоциируется с именем Резерфорда, который обосновал её в 1913 году, когда пришло время, и при его участии были получены опытные факты, превратившие планетарную модель из гипотезы в очевидную реальность.

Один из решающих доводов в пользу планетарной модели получил ассистент Резерфорда Г. Мозли из наблюдений спектров рентгеновских лучей. «Атому присуща характерная величина, регулярно увеличивающаяся при переходе от атома к атому (в периодической системе Менделеева). Эта величина не может быть ничем иным, как зарядом внутреннего ядра», – написал он.

Результат, полученный Мозли, прекрасно сочетается с законом превращения радиоактивных элементов, открытым Ф. Соди и Резерфордом за десять лет до того и вызвавшим резкие возражения консервативных сторонников традиционной точки зрения о вечности и неизменности атомов.

В модели Резерфорда всё стало на свои места: в положительно заряженном ядре происходят все радиоактивные превращения, вокруг ядра вращаются электроны, ответственные за возникновение спектров и за химические взаимодействия.

Основной слабостью планетарной модели Нагаоки, не устранённой и Резерфордом, была невозможность количественно связать эту модель с явлением излучения и поглощения света и рентгеновских волн. Модель не позволяла рассчитать длины излучаемых и поглощаемых волн, более того, её нельзя было примирить с фактом существования атомов. Ведь в соответствии с теорией Дж. К. Максвелла вращающийся по орбите электрон должен непрерывно излучать электромагнитные волны, передавая им часть своей кинетической энергии. При этом орбита электрона должна всё более сжиматься, и он должен быстро упасть на ядро.

Если и была надежда когда-нибудь в будущем объяснить этим радиоактивные превращения, то совместить такую модель с существованием стабильных атомов было совершенно невозможно.

Модель Резерфорда ждала неизбежная гибель. Но она не успела подвергнуться поруганию и забвению потому, что в лаборатории Резерфорда уже около года работал молодой датский физик Нильс Бор.

ЕРЕТИК

Бор отчётливо ощущал обширные возможности, содержащиеся в планетарной модели атома, и поставил себе целью спасти её от анафемы, которой ей грозила классическая физика.

Спасителями могли быть только еретический квант действия, вошедший в науку, несмотря на все опасения его создателя М. Планка, и не менее крамольный фотон, отец которого, Эйнштейн, потом долгие годы был основным оппонентом Бора по самым сложным и глубоким проблемам современной физики.

Цитата, которую я привожу ниже, возможно, слишком длинна, но она лучше всего покажет возникновение наиболее драматического скачка в науке, вознёсшего человечество над стройными громадами классической физики. Бор писал:

«Существование элементарного кванта действия выражает новое свойство индивидуальности физических процессов, совершенно чуждое классическим законам механики и электромагнетизма; оно ограничивает их справедливость теми явлениями, в которых величины размерности действий велики по сравнению со значением единичного кванта, даваемым новой атомистической постоянной Планка. Такое условие ни в какой мере не выполняется для электронов в атомах, хотя ему с избытком удовлетворяют явления в обычных физических опытах. И действительно, только существование кванта действия препятствует слиянию электронов с ядром в нейтральную тяжёлую частицу практически бесконечно малого размера.

Признание такого положения тотчас же навело на мысль описывать удержание каждого электрона полем вокруг ядра как непрерывный ряд индивидуальных процессов. Процессов, которые переводят атом из одного, так называемого стационарного, состояния в другое состояние с испусканием освобождённой энергии в виде единичного кванта электромагнитного излучения – фотона. (Это очень важное место в размышлениях Бора, так как тут выражено интуитивное предчувствие принципа, лёгшего в основу работы лазера.) Эта идея внутренне сродни эйнштейновскому успешному толкованию фотоэлектрического эффекта, столь убедительно подтверждённому прекрасными работами Дж. Франка и Г. Герца над возбуждением спектральных линий ударами электронов об атомы. Она дала не только прямое объяснение загадочных законов линейчатых спектров, распутанных И. Я. Бальмером, И. Р. Ридбергом и В. Ритцем. Но и постепенно привела к систематической классификации, на основе спектроскопических данных, типов стационарной связи каждого электрона в атоме. Это дало полное объяснение замечательным зависимостям между физическими и химическими свойствами элементов, зависимостям, выраженным в знаменитой таблице Д. И. Менделеева. Такое толкование свойств материи казалось осуществлением древнего идеала – свести формулирование законов природы к рассмотрению только чисел, – превосходящим даже мечты пифагорейцев. Основное предположение об индивидуальности атомных процессов означало в то же время неизбежный отказ от установления детальной причинной связи между физическими событиями, существование которой было в течение столетий бесспорной основой философии естествознания».

Как поразительно работает интуиция гения: она предчувствует то, что ещё не стало осознанной реальностью.

Бор сформулировал свои идеи в виде трёх постулатов: атом может находиться в ряде определённых стационарных состояний, не теряя энергии на излучение; излучение возникает при переходе из одного стационарного состояния в другое; частота излучения определяется отношением разности энергий, соответствующих двум стационарным состояниям, между которыми совершается переход, к постоянной Планка.

В этих постулатах уже содержалась суть лазеров, но об этом пока никто не знал.

Бор применил эти постулаты к простейшему атому водорода, вокруг ядра которого вращается только один электрон. Каждый шаг был триумфом. Радиус орбиты электрона хорошо совпал с радиусом атома водорода, известным из опытов с газами. Подсчёт частот, связанных с переходами между простейшими стационарными состояниями, совпал с известными сериями линий Бальмера и Ф. Пашена и позволил вычислить постоянную Ридберга, определённую ранее только из опыта.

Бор применил свою теорию к иону гелия – системе, также имеющей только один электрон, но вчетверо более тяжёлое ядро, чем ядро атома водорода. Так он получил серию частот, совпадавшую с серией спектральных линий, наблюдавшихся в некоторых звёздах и в то время приписывавшихся водороду. Впоследствии правота Бора стала ещё одним триумфом его теории.

Но попытки применить теорию к неионизированному атому гелия – системе с двумя электронами – и к более сложным атомам натолкнулись на непреодолимые математические трудности.

Эти трудности в существенной мере преодолел теоретик старшего поколения А. Зоммерфельд. Он ввёл в модель Бора наряду с круговыми орбитами более сложные эллиптические орбиты электронов. Это позволило ему вывести расчётным путём комбинационный принцип, полученный Ритцем из простого сопоставления данных опыта. Затем Зоммерфельд, оценив скорости движения электронов по их орбитам, установил, что они столь велики, что для расчётов нужно применять теорию относительности Эйнштейна.

Так он смог объяснить существование многих спектральных линий, не входивших в известные спектральные серии. Оказалось, что они возникают вследствие того, что эллиптические орбиты в соответствии с требованиями теории относительности вращаются вокруг ядра так, что электрон движется не по замкнутому эллипсу, а по своеобразной бесконечной розетке. Впрочем, и после усовершенствования теория была слишком сложной, а главное, не все её предсказания согласовывались с опытом.

Постепенно у физиков крепло сознание необходимости перемен.

ПОВОРОТ К ЛАЗЕРУ

В 1917 году Эйнштейн сделал шаг, последствия которого он ещё не мог предвидеть. Шаг заключался в применении к атому Бора того статистического подхода, который сам Эйнштейн и польский учёный М. Смолуховский применили к расчётам таинственного броуновского движения – безостановочной пляске мельчайших частиц, плавающих в жидкости.

Эйнштейн заметил, что акты излучения и поглощения света должны подчиняться таким же вероятностным закономерностям, как радиоактивный распад. Каждый единичный акт непредсказуем и случаен, но в среднем проявляются чёткие закономерности, соответствующие объективным законам природы.

Он предположил, что в атомах, не подвергающихся внешним воздействиям, электроны переходят из состояний с более высокой энергией в состояние с более низкой энергией с вполне определённой вероятностью, обусловленной строением атома. Интенсивность излучения, связанного с такими спонтанными, самопроизвольными переходами, пропорциональна числу возбуждённых атомов, то есть атомов, находящихся в состоянии высокой энергии.

Если же атомы находятся в поле излучения, частота которого совпадает с одной из боровских частот, то вероятность электронного перехода, связанного с излучением или поглощением фотона этой частоты, пропорциональна интенсивности поля.

Эти два предположения имели два важнейших следствия.

Из них непосредственно вытекает формула Планка для излучения «чёрного тела», устранившая опасность «ультрафиолетовой катастрофы». Это давало уверенность в правоте Эйнштейна.

Но второе следствие настораживало.

Из предположений Эйнштейна неизбежно получалось, что фотон уносит из атома не только энергию, но и импульс, что элементарный акт излучения света не может быть описан сферической волной. Так в науку вновь вошла необходимость объединения волновых и корпускулярных свойств света, ибо теперь фотоны, обретя импульс, ещё ближе уподобились частицам. Теперь в физику по-настоящему вторглись законы случая, и их уже нельзя рассматривать просто как путь упрощения слишком громоздких вычислений в задачах о множестве частиц. Вероятностные законы оказались связанными с элементарными единичными актами. Лишь много позднее выяснилось, что всё это связано с лазерами, что теория лазеров уже работает, ещё неосознанно, но уже подготавливая почву для озарения. Пока учёные это осознали, в науке должно было произойти много важных событий.

СУМАСШЕДШИЙ?

Шёл 1911 год. В науку входил один из интереснейших умов. Луи де Бройль начал свою самостоятельную жизнь с получения степени бакалавра, а затем лиценциата литературы по разделу истории. Но его влекла деятельность, которой посвятил себя его брат. И вот Луи, через брата, знакомится с докладами, обсуждавшимися на физическом конгрессе. Доклады были посвящены квантам. Кванты решили судьбу юноши.

Начал он с того, что стал работать в лаборатории своего брата. Первые его труды посвящены рентгеновскому излучению и фотоэффекту. Истории было суждено прервать своеобразный старт – началась Первая мировая война. Историк – физик – солдат пять лет отдаёт армии. А вернув шись в 1919 году из армии, он полностью подпадает под обаяние эйнштейновской теории световых квантов – фотонов. Его подхлестнуло именно то, что маститым немецким физикам казалось подозрительным в дерзкой теории.

Эйнштейн и не претендовал на то, чтобы объяснить при помощи квантов появление цвета в тонких плёнках, например радужной окраски разлитой по воде нефти, и других интерференционных явлений. Если считать, что свет – только частицы, этого не объяснишь. Он был слишком глубоким физиком, чтобы идти облегчённым путём. То была бы грубая работа.

Творец фотонов оставлял эту задачу волновой оптике. Ей было легче, так как исходила она из того, что свет – это волны. Он исходил из двойственности природы света. В одних условиях свет существует как непрерывная волна, а в других он, не менее реально, выступает как поток квантов, которые позднее получили название фотонов.

Эйнштейн был одинок в своём подходе к природе света. Даже впоследствии, когда он после создания теории относительности был поставлен рядом с Ньютоном, квантовая теория света осталась непонятой и забытой. Она помогла Бору в создании теории атома, но и это не обеспечило ей признания. Сам Эйнштейн, поглощённый всё более трудными задачами, возникавшими по мере развития его основного труда, не возвращался к этим работам.

Луи де Бройль подхватил идеи Эйнштейна. Ещё в ранней молодости его поразила аналогия уравнений, управляющих движением волн и поведением сложных механических систем. Теперь же непостижимое появление целых чисел в правилах, позволяющих вычислять орбиты атома водорода, навело его на мысль о родстве этих правил с законами волнового движения, в которых постоянно возникают простые целые числа.

Руководствуясь идеями Эйнштейна, в частности его соображениями о связи массы и энергии, вытекающими из теории относительности, де Бройль проделал для частиц работу, обратную той, которую Эйнштейн провёл для волн света. Эйнштейн связал электромагнитные волны с частицами света; де Бройль связал движение частиц вещества с распространением волн, которые он назвал волнами материи. В конце лета 1923 года в «Докладах Французской академии наук» появились три статьи, три шедевра, в которых были заключены основные принципы новой волновой механики.

А в докторской диссертации де Бройля идеи волновой механики были развиты и отшлифованы так тонко, что жюри знаменитой Сорбонны, в состав которого входили такие корифеи французской науки, как Поль Ланжевен и Жан Перрен, без колебаний оценило её «как бриллиант первой величины», а Эйнштейн рекомендовал прочесть её всем физикам, хоть и кажется, что писал её сумасшедший.

НЕ ДУМАЯ

Через год двадцатипятилетний геттингенец Вернер Гейзенберг опубликовал свою знаменитую матричную механику. Она была удивительным порождением интуиции одного учёного и в известном смысле освобождала других от необходимости… думать… Основной труд уходил на освоение непривычных математических методов. Дальше всё шло удивительно просто. Нужно было записать условия очередной задачи в символической матричной форме (для этого, конечно, нужно поломать голову). Но дальше можно действовать по раз навсегда разработанным правилам. В конце этой почти механической работы возникало решение. Разглядеть его среди леса формул всегда помогал опыт.

Молодой профессор из Цюриха Эрвин Шрёдингер весной 1926 года прорубил ещё одну просеку в дремучем лесу микромира. Шрёдингер получил замечательное уравнение, известное теперь под названием волнового и носящее его имя. Он показал, что в сложных случаях, когда в процессе участвует сразу много частиц, соответствующая волна, описывающая их движение, становится очень сложной. Она уже не помещается в пределах обычного трёхмерного пространства. Для её описания нужно вообразить пространство со многими измерениями!

Теперь в физику микромира прочно вошло абстрактное многомерное пространство, дотоле бывшее многолетней вотчиной классической математики.

Так в результате вдохновенной работы де Бройля, Гейзенберга и Шрёдингера родилась новая квантовая механика – удивительное, не совсем понятное, заряженное математической взрывчаткой оружие для дальнейших походов в микромир.

В преодоление трудностей, возникавших на пути триединой теории, включались всё новые силы. Но главное направление здесь вело не к лазерам, а к атомной бомбе и атомной электростанции. Поэтому мы оставим этот путь и вернёмся назад, чтобы проследить за развитием других идей, имеющих непосредственное отношение к нашей теме.

СКАЧОК

Отступим к началу нашего века, когда в науку входил юноша из Одессы Леонид Мандельштам.

В эти столь бурные годы Мандельштама привлекли работы Планка, стремившегося понять, почему свет, проходящий через прозрачную, незамутненную среду, ослабляется. Причиной могло быть только рассеяние. Но что может рассеивать свет в чистом, однородном газе?

И как быть с опытами, безупречными опытами, с удивительной точностью подтверждавшими ранее господствующую теорию рассеяния? Всё в ней представлялось бесспорным и как бы протестовало против вмешательства.

Мандельштама не смутило совпадение результатов опытов с прежней теорией. Об одном из таких опытов он написал в 1907 году: «Это совпадение должно рассматриваться как случайное».

Целым рядом работ Мандельштам показал, что беспорядочное движение молекул не делает газ однородным. В реальном газе всегда имеются мельчайшие разрежения и уплотнения, образующиеся в результате хаотического теплового движения. Вот они-то и приводят к рассеянию света, так как нарушают оптическую однородность воздуха.

Мандельштам писал: «Если среда оптически неоднородна, то, вообще говоря, падающий свет будет рассеиваться в стороны».

Много позже, в 1917 году, Мандельштам и независимо от него французский учёный Леон Бриллюэн задались вопросом о том, как же происходит рассеяние света в прозрачных однородных жидкостях и твёрдых телах, плотность которых неизмеримо больше плотности воздуха?

Оказалось, что и здесь большую роль играют флуктуации плотности, подчиняющиеся законам, родственным тем, которые приводят в движение броуновские частицы.

Но в жидкостях и твёрдых телах, которые физики объединяют обобщающим понятием – конденсированные среды, в процесс рассеяния света вмешивается новый фактор, корни которого простираются до 1820 года, когда французы П. Дюлонг и А. Пти установили замечательный факт равенства удельной теплоёмкости всех твёрдых тел. Попытки объяснить эту закономерность дали толчок многим далеко идущим исследованиям. Но причина столь удивительного равенства так и осталась неясной, и опытный факт со временем превратился в закон Дюлонга и Пти. Лишь более чем через половину века цюрихский профессор X. Вебер обнаружил, что удельные теплоёмкости алмаза, графита, бора и кремния резко отклоняются в меньшую сторону от закона Дюлонга и Пти. Он же установил, что повышение температуры уменьшает обнаруженное им отклонение.

Эйнштейн, в студенческие годы слушавший лекции Вебера, не мог остаться равнодушным к его открытию. Он представил себе атомы твёрдых тел колеблющимися вокруг устойчивых положений равновесия, определяемых взаимодействием их электрических полей. Свойства таких атомных систем напоминают в общих чертах поведение системы грузиков, связанных пружинками. Эйнштейн стремился во всех случаях описать сложную систему при помощи наиболее простых моделей и наиболее простых формул, лишь бы они воспроизводили существенные черты реальных явлений. Этот путь и здесь привёл его к успеху. Применив к своей модели формулы Планка, он смог объяснить наблюдения Вебера.

Впоследствии П. Дебай развил работу Эйнштейна и показал, что тепловые колебания твёрдых тел имеют ту же природу, что и звуковые колебания, но частоты их занимают несравненно больший диапазон, чем слышит наше ухо. То были ультразвуковые и гиперзвуковые колебания, много позже освоенные техникой. Но звуковые волны связаны с сжатием и разрежением, с изменением плотности вещества. Если эти волны порождаются тепловыми движениями, то их наложение приводит к хаотическим изменениям, к флуктуациям плотности. Достаточно было осознать это, и механизм рассеяния света в конденсированных средах становился ясным. Теперь этот процесс известен как рассеяние Мандельштама – Бриллюэна. Он приобрёл новое значение после создания лазеров.

НАХОДКА

Много лет спустя, в 1925 году, став заведующим кафедрой Московского университета, Мандельштам продолжил исследования рассеяния света совместно с искусным экспериментатором Г. С. Ландсбергом.

Результаты совместной работы были неожиданны и необычайны. Учёные обнаружили совсем не то, чего ожидали, не то, что было предсказано теорией. Она открыли совершенно новое явление. Но какое? В рассеянном свете появилась целая комбинация частот, которых не было в падающем на вещество свете. Не ошибка ли это?

На фотографиях спектра рассеянного света упорно появлялись слабые и тем не менее вполне явные линии, свидетельствующие о наличии в рассеянном свете «лишних» частот. Многие месяцы учёные искали объяснение этому явлению. Откуда в рассеянном свете появились «чужие» частоты?

И настал день, когда Мандельштама осенила изумительная догадка. Это было удивительное открытие, то самое, которое и теперь считается одним из важнейших открытий XX века.

Глубокая интуиция и ясный аналитический ум Мандельштама подсказали учёному, что обнаруженные изменения частоты рассеянного света не могут быть вызваны теми межмолекулярными силами, которые выравнивают случайные неоднородности плотности воздуха или вызывают ультразвуковые – дебаевские – волны в твёрдых телах. Учёному стало ясно: причина, несомненно, кроется внутри самих молекул вещества и явление вызвано внутримолекулярными колебаниями атомов, образующих молекулу. Такие колебания происходят с гораздо более высокой частотой, чем те, что сопровождают образование и рассасывание случайных неоднородностей среды. Вот эти-то колебания атомов в молекулах и сказываются на рассеянном свете. Атомы как бы метят его, оставляют на нём свои следы, зашифровывают дополнительными частотами.