Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство - Ирина Львовна Радунская
Мандельштам показал, что беспорядочное движение молекул не может сделать газ однородным. Наоборот, в реальном газе всегда имеются мельчайшие разрежения и уплотнения, образующиеся в результате хаотического теплового движения. Вот они-то и объясняют рассеяние света. В той же работе Мандельштам писал: «Если среда оптически неоднородна, то, вообще говоря, падающий свет будет рассеиваться и в стороны».
Что же является причиной этой оптической неоднородности?
Для того чтобы ответить на вопрос, снова вспомним, что молекулы всех веществ не неподвижны. Даже если в веществе не происходит видимых движений, его молекулы непрерывно движутся. Это движение молекул называется тепловым движением, так как оно вызывает у нас ощущение тепла. Чем сильнее движутся молекулы вещества, тем более теплым оно нам кажется.
В газах и жидкостях молекулы не закреплены в определенных местах пространства, как это имеет место в твердых телах. Поэтому молекулы беспорядочно перемещаются, сталкиваясь друг с другом и описывая причудливые зигзагообразные линии. Беспорядочный характер этого движения приводит к тому, что в различных местах пространства на короткое время скапливается больше молекул, чем в других. Однако эти уплотнения быстро рассеиваются, возникая в других местах. Так же беспорядочно возникают и небольшие кратковременные разрежения.
Большая заслуга Мандельштама заключается в том, что он доказал, что предположение об однородности газа несовместимо с фактом рассеяния в нем света. Он понял, что голубой цвет неба доказывает, что однородность газов только кажущаяся. Это значит, что газы однородны только при исследовании грубыми приборами, такими, как барометр, весы или другие приборы, на которые воздействуют сразу многие миллиарды молекул. Но световой луч ощущает несравнимо меньшее количество молекул, измеряемое лишь десятками тысяч. И этого достаточно, чтобы бесспорно установить, что плотность газа непрерывно подвергается маленьким местным изменениям. Поэтому однородная, с нашей «грубой» точки зрения, среда в действительности неоднородна. С точки зрения света она кажется мутной и поэтому рассеивает свет.
Так была окончательно объяснена причина голубого цвета неба.
Случайные местные изменения свойств вещества, образующиеся в результате теплового движения молекул, теперь носят название флуктуации. Выяснив флуктуационное происхождение молекулярного рассеяния света, Мандельштам проложил дорогу новому методу исследования вещества — флуктуационному, или статистическому, методу, впоследствии развитому Смолуховским, Лорентцом, Эйнштейном и им самим в новый крупный отдел физики — статистическую физику.
Казалось бы, что может быть связано между собой меньше, чем обыкновенный камертон и теория рассеяния света?
Сейчас мы расскажем о прекрасном опыте с камертоном, который придумал и показывал на своих лекциях Мандельштам.
Этот опыт предназначен для демонстрации явления модуляции. Модуляцией называется медленное воздействие на колебательный процесс. Простейшим примером модуляции является периодическое изменение силы звука.
Вот как ставится этот опыт. Берут два одинаковых камертона, дающих одинаковый тон, скажем соответствующий частоте колебаний 500 периодов в секунду. Кроме этих камертонов, берут еще два: один — дающий звук с частотой 497 периодов в секунду и другой — с частотой в 503 периода в секунду.
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
