Чтение онлайн

Казалось бы, все ясно, проблема полностью решена. И только один физик, академик Леонид Исаакович Мандельштам, не согласился с этой интерпретацией. Он доказал, что в силу весьма большой плотности молекул воздуха они сами по себе не могут служить причиной, ответственной за голубой цвет неба. Истинной причиной, порождающей этот эффект, являются флуктуации плотности, т. е. случайные изменения концентрации молекул в единице объема, происходящие под влиянием теплового движения. Л. И. Мандельштам показал, что формула Рэлея верна, а физическая сущность картины рассеяния света совершенно иная. Эта работа была опубликована еще в 1907 г. Она явилась одной из первых работ по исследованию флуктуаций, породивших статистическую физику.

Л. И. Мандельштам был первым физиком, обратившим внимание на то, что флуктуации давления, температуры, концентрации или ориентации (если молекулы анизотропны) должны накладывать свой отпечаток на падающий свет, как говорят, модулировать его. В работах, начатых еще в 1908 г., он обосновал необходимость рассеяния света на флуктуациях плотности, приводящего к появлению в рассеянном свете, помимо падающей длины волны λ0, еще двух соседних волн λ1 и λ2, смещенных в оба конца спектра на одинаковую величину ∆λ(∆λ=λ1−λ0=λ0−λ2). Этот дублет Мандельштама — Бриллюэна [4] , весьма близко примыкающий к основной линии, был впервые обнаружен членом-корреспондентом АН СССР Е. Ф. Гроссом.

Триумфом оптических исследований академика Л. И. Мандельштама было открытие совместно с академиком Г. С. Ландсбергом комбинационного рассеяния света.

В 1927 г. ими был поставлен следующий эксперимент.

Монохроматический свет, полученный из ртутной лампы с помощью фильтра, падал на кристалл максимально чистого и однородного кварца. Свет, рассеянный этим кристаллом, анализировался спектрографом. Одна из основных трудностей эксперимента состояла в том, что из общего количества световой энергии, поступающей в вещество, рассеивается всего лишь около одной десятимиллиардной доли. Кроме того, почти весь рассеянный свет является первичным излучением, отраженным от различных дефектов кристалла. Чтобы иметь возможность выделить какие-то новые длины волн в составе рассеянного света, надо было практически полностью избавиться от отраженного света. С этой целью Л. И. Мандельштам и Г. С. Ландсберг пропускали рассеянный свет через пары ртути, которые поглощали отраженный свет с длиной волны такой же, как у падающего на кристалл света.

После чрезвычайно долгой экспозиции им удалось заметить слабые спектральные линии на равных расстояниях от первичной.

Тщательное исследование этих линий показало, что они сопровождают каждую линию первичного света. Разность между частотами этих линий и частотой падающего света совпадает с частотами инфракрасных колебаний молекул рассеивающего вещества. Кроме того, интенсивность линий, смещенных в красную сторону спектра, значительно выше интенсивности линий, смещенных в синюю сторону.

В этом явлении физики впервые встретились с прямым взаимодействием световых колебаний с отдельными молекулами вещества. Недаром Л. И. Мандельштам называл спектры комбинационного рассеяния «языком молекул».

Грубую картину механизма этого взаимодействия можно получить следующим образом. Каждая молекула данного вещества может совершать различные внутренние колебания. Им соответствует определенный набор порций электромагнитной энергии, hνi , которые молекулы способны принимать от окружающей среды и возвращать в нее. Если квант падающего света hν0 взаимодействует с невозбужденной молекулой, он отдает ей часть своей энергии, равную hνi . При этом в рассеянном свете появляется «красная» смещенная линия с частотой νk=ν0−νi . Если же квант встречается с возбужденной молекулой, обладающей энергией возбуждения hνi , он может получить эту энергию и тогда родится «синяя» смещенная линия с частотой ν'c=ν0+νi . Нетрудна видеть, что смещенные линии должны располагаться симметрично по обе стороны от основной линии первичного света.

Так как в обычных условиях число невозбужденных молекул значительно больше, интенсивность линий, смещенных в красную сторону спектра, должна быть значительно выше, что соответствует действительности.

В 1928 г. аналогичное открытие было сделано индийскими физиками Раманом и Кришнаном. Они также наблюдали в свете, рассеянном различными жидкостями, возникновение дополнительных спектральных линий. Свое открытие они интерпретировали как оптический аналог эффекта Комптона. Как показал Л. И. Мандельштам, это было совершенно неверно. Тем не менее в 1930 г. Раман получал Нобелевскую премию, а само комбинационное рассеяние света долгое время называлось «эффектом Рамана».

Продолжая свои исследования, Л. И. Мандельштам и Г. С. Ландсберг создали новый метод спектрального анализа молекул, основанный на изучении спектров комбинационного рассеяния. Этот метод получил огромное распространение и широко применяется теперь во всех странах.

Герой романа Алексея Толстого «Гиперболоид инженера Гарина» изобрел прибор, способный создавать узкий параллельный световой пучок, несущие большую энергию и вызывающий серьезные разрушения на значительных расстояниях. Физики не раз убедительно доказывали, что гиперболоид, совершающий такие действия, принципиально невозможен [5] . Но при этом упускали из виду, что невозможность создания такого прибора отнюдь не означает невозможности создания такого луча. Недавно физики получили подобные лучи в свое распоряжение. Их принесла новая область физики — квантовая электроника, возникшая на наших глазах. Однако и у нее уже есть своя небольшая история.

Во всех известных нам до недавних пор источниках света излучающие его атомы работают крайне несогласованно, хаотично. Они испускают различный свет в разное время по любым направлениям. Такой свет, удаляясь от источника даже в виде первоначального пучка (например, луч прожектера), быстро расплывается на все большую и большую площадь, напоминая в сечении контуры веера. Это не позволяет пересылать заметные количества электромагнитной энергии на космические расстояния.

Если бы можно было заставить возбужденные атомы излучать свет одной и той же длины волны одновременно, да еще в строго определенном направлении, мы получила бы принципиально новый источник света. Именно таким источником и является лазер, способный создавать лучи, подобные лучам гиперболоида инженера Гарина.

Чтобы лучше понять глубокое различие между обычными тепловыми источниками света и лазером, приведем следующую аналогию.

Представьте себе огромный хор, где нет дирижера и каждый из участников стоит, как ему захотелось (кто лицом, а кто и спиной к публике), поет свою отличную от других песню, начиная и кончая, когда ему вздумается. Зрители при этом услышат только невообразимый шум. Именно так ведут себя атомы в обычных источниках света.

Но приходит дирижер, и все участники хора поворачиваются лицом к зрителям и одновременно начинают исполнять одну и ту же песню. Такой хор можно услышать на весьма большом расстояний от эстрады. По этому принципу работают атомы в лазере.

Как же удалось заставить атомы работать так согласованно?

Хорошо известно, что любая среда, в которую проникает свет, поглощает и рассеивает его лучи. Если бы Исааку Ньютону оказали, что возможно создать среды, усиливающие пропускаемый ими свет, он бы наверняка в это не поверил.

Классическая теория колебаний утверждает, что диполь, на который воздействует периодически изменяющееся электромагнитное поле, может, в зависимости от соотношения фаз между колебаниями поля и колебаниями самого диполя, либо поглощать энергию поля, либо отдавать ее полю. В первом случае имеет место положительная абсорбция, во втором — отрицательная абсорбция или вынужденное излучение энергии под влиянием электромагнитного поля. Это излучение отлично от обычного спонтанного излучения, происходящего под влиянием внутренней неустойчивости системы, и обычно складывается с ним. Так как вынужденное излучение стимулируется внешним полем, то, в отличие от спонтанного излучения, оно будет строго согласованным во времени.

А. Эйнштейн первым в 1917 г. распространил этот принцип на квантовые системы, указав, что атомы также должны испускать вынужденное излучение под влиянием падающей электромагнитной волны. Только при этом условии ему удалось вывести формулу Планка на основе статистических соображений.

В 1927 г. английский физик П. Дирак обратил внимание на то, что вынужденное излучение атомов должно иметь место лишь при условии совпадения частоты падающего электромагнитного излучения с одной из возможных частот для атомов данного сорта. Иными словами, атомы должны испускать такие же кванты, какие содержатся в падающем излучении.