Страница 18 из 77
Если ударить по камертону, дающему тон 500 периодов в секунду, и затем заглушить его рукой, можно услышать тихий звук, издаваемый вторым таким же камертоном. Это есть явление резонанса. Камертон приводится в заметное колебание тем звуком, который он способен испускать. Два других камертона, частоты которых различаются от частоты звука всего на три периода в секунду, не будут звучать и не обнаружат заметных колебаний. Это характеризует остроту, с которой камертоны отличают даже столь близкие между собой колебания.
Видоизменим опыт. Попробуем теперь заставить звучать тот же камертон, изменяя силу его звука в 3 раза в секунду. Для этого достаточно 3 раза в секунду помещать заслонку перед его резонансным ящиком. Слушатели отчетливо воспримут изменение силы доходящего до них звука. Однако, заглушив после этого камертон, можно убедиться в том, что теперь возбудились и начали звучать также те камертоны, которые в первом случае оставались в покое. Частоты их отличаются от частоты первого камертона на 3 периода в секунду.
Итак, опыт показывает, что, модулируя звук, то есть изменяя его силу, можно добиться возбуждения камертонов, частота которых отличается от частоты возбуждающего камертона как раз на частоту модуляции. Следовательно, в звуке, издаваемом модулированным камертоном, кроме его собственной частоты, появляются новые частоты, порожденные модуляцией.
Предсказание
Глубокое понимание колебательных процессов помогло Мандельштаму отыскать аналогичные явления и в такой далекой на первый взгляд от радиотехники и акустики области, как рассеяние света. Он первый понял, что в явлении рассеяния света можно обнаружить черты, родственные процессам, хорошо изученным в радиотехнике и акустике.
Этот вывод оказался очень плодотворным. В 1918 году Мандельштаму удалось использовать эту идею для дальнейшего развития теории молекулярного рассеяния света. Он рассуждал примерно так. Молекулярное рассеяние света обусловлено оптическими неоднородностями, вызываемыми местными случайными изменениями плотности, температуры и т. п. Но величина этих случайных изменений меняется во времени. Поэтому должна изменяться во времени и интенсивность (сила) рассеянного света. Это значит, что рассеянный свет испытывает модуляцию. Следовательно, если в среду попадает монохроматический свет (то есть свет, обладающий одной определенной частотой), то в рассеянном свете должны, кроме этой частоты, появиться и другие частоты, обусловленные модуляцией.
Ни один из ученых в то время не наблюдал подобного изменения частоты рассеянного света. Не имел возможности проверить выводы своей теории и сам Мандельштам — трудные условия первых лет революции, иностранной интервенции и гражданской войны препятствовали организации экспериментов, необходимых для обнаружения столь малых изменений частоты.
В 1925 году Мандельштам стал заведующим кафедрой в Московском университете. Здесь он встретился с выдающимся ученым и искусным экспериментатором Григорием Самуиловичем Ландсбергом. С тех пор обоих ученых связала не только общая работа, но и личная дружба. Они совместно продолжили штурм тайн, скрытых в слабых лучах рассеянного света.
Оптические лаборатории университета в те годы были очень бедны приборами. Молодая советская промышленность преодолевала большие трудности и поэтому не могла еще уделять достаточно внимания производству специальных оптических приборов. В университете не оказалось ни одного прибора, способного обнаружить те маленькие различия в частотах падающего и рассеянного света, которые предсказывала теория.
Однако это не остановило исследователей. Для того чтобы увеличить силу рассеянного света, они взяли в качестве источника света ртутную лампу, в которой светятся пары ртути, и решили работать не с газами, а с прозрачными твердыми телами. Ведь рассеяние тем больше, чем плотнее вещество. А в твердых телах под влиянием тепловых колебаний тоже должны возникать флуктуации плотности, сопровождающиеся рассеянием света. Но молекулярное рассеяние в твердых телах тогда никем еще не наблюдалось, и никто не знал, какое вещество следует выбрать. Начались кропотливые поиски. Наиболее подходящими оказались кристаллы кварца, среди которых можно было найти крупные, однородные и чистые образцы. Не обладая мощной аппаратурой для спектрального анализа, ученые избрали остроумный обходный путь, который должен был дать возможность воспользоваться имеющимися приборами. Для этой цели они использовали явление резонанса.
Основной трудностью в работе было то, что на слабый свет, вызванный молекулярным рассеянием, накладывался намного более сильный свет, рассеянный небольшими загрязнениями и другими дефектами тех образцов кристаллов, с которыми проводились опыты. 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 измененной, в соответствии с теорией Мандельштама, частотой. Таким образом, задача состояла в том, чтобы на фоне намного более яркого мешающего света выделить слабый свет измененной частоты, вызванный молекулярным рассеянием.
Идея метода привлекала своей простотой: надо поглотить свет неизмененной частоты и пропустить в спектральный аппарат только свет измененной частоты, отличающейся от первоначальной лишь на несколько тысячных долей процента. Эту идею можно реализовать на основе старого наблюдения, сделанного Кирхгофом. Он заметил, что каждый атом вещества, находящегося в газообразном состоянии, способен излучать световые волны только вполне определенных частот. Вместе с тем этот атом способен и поглощать свет только тех частот, которые он сам может излучать. Поэтому, например, при прохождении света через сосуд, наполненный парами ртути, будет сильно рассеиваться и поглощаться только такой свет, который может испускаться парами ртути, находящимися в лампе. В результате свет от ртутной лампы при прохождении через сосуд, наполненный парами ртути, будет сильно ослабляться, а свет, обладающий другими частотами, например свет от неоновой лампы, пройдет через этот сосуд без заметного ослабления. Без заметного поглощения пройдет через ртутные пары и та часть рассеянного света ртутной лампы, частота которой окажется измененной при рассеянии на случайно возникающих и рассасывающихся неоднородностях.
Мандельштам рассуждал так: свет, рассеянный в кристалле, состоит 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 как молекулярным рассеянием, так и главным образом посторонними причинами, а именно загрязнениями и другими дефектами кристалла (эта часть была вредной, она затрудняла исследование). Для того чтобы избавиться от мешающей части света, весь рассеянный свет следует пропускать через сосуд с парами ртути. При этом мешающий свет неизмененной частоты существенно ослабляется, а свет измененной частоты проходит без заметного ослабления. Этот свет направлялся в обычный спектроскоп для дальнейшего исследования.
Два года длились подготовительные опыты, выбирались наиболее чистые образцы кристаллов, совершенствовалась методика, устанавливались признаки, позволяющие бесспорно отличать молекулярное рассеяние от рассеяния на случайных включениях и неоднородностях кристалла.
Замечательное открытие
В 1927 году начались решающие опыты. Результаты их были необычайны. Они привели к открытию совершенно нового физического явления. В процессе исследования полученных фотографий спектра — спектрограмм наряду с спектральными линиями неизменной частоты были обнаружены слабые линии со значительно большим изменением частоты, чем это ожидалось на основании теории.
Началась тщательная проверка. Разнообразные контрольные опыты показали, что ошибок нет. В рассеянном свете действительно присутствуют слабые линии, заметно отличающиеся по частоте от падающего света.