Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство - Ирина Львовна Радунская
Окончательный ответ на этот вопрос был дан впоследствии как работами Ландсберга и Мандельштама, впервые обнаружившими такое рассеяние в 1930 году, так и главным образом прекрасными опытами советского ученого Е. Ф. Гросса. По предложению Мандельштама и Ландсберга в Государственном оптическом институте в Ленинграде им были поставлены тщательные опыты, которые привели к точному подтверждению теории Мандельштама. Гросс обнаружил это явление не только в твердых телах, но и в жидкостях, что дало в руки ученых еще одно средство для изучения сложного и интересного вопроса о строении жидкостей. Опыты Гросса вызвали дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования. Советский физик Л. Д. Ландау совместно с чешским физиком Г. Плачеком показали, что наряду с флуктуациями плотности следует учитывать флуктуации температуры. В то время как первые рассасываются путем распространения упругих волн, вторые выравниваются вследствие теплопроводимости.
Из лаборатории в промышленность
Исследования комбинационного рассеяния света не только создали новую главу в науке, но и дали важное оружие промышленности. Достаточно сказать, что за полвека, прошедших после открытия комбинационного рассеяния, опубликовано несколько тысяч научных работ в этой области. Значительное число этих работ принадлежит советским физикам, ученикам и сотрудникам академиков Мандельштама и Ландсберга, и индийским ученым школы Рамана.
Результаты этих работ сделали комбинационное рассеяние одним из наиболее мощных способов изучения свойств вещества. Физики пользуются этим методом для изучения природы и строения жидкостей, исследования кристаллов и стекловидных веществ. Химики используют его для изучения структуры химических соединений, природы сил, приводящих к объединению атомов в молекулы. Органическая химия приобрела в комбинационном рассеянии наиболее удобный метод изучения строения сложных органических соединений.
Сотрудники лаборатории Физического института имени П. Н. Лебедева Академии наук СССР, которой руководил академик Ландсберг, разработали методы исследования вещества, использующие явление комбинационного рассеяния света. Они позволяют в условиях заводской лаборатории быстро и точно производить количественные и качественные анализы авиационных бензинов, других продуктов переработки нефти и синтетических органических жидкостей.
Для того чтобы стали понятны огромные трудности, которые пришлось преодолеть советским ученым при изучении комбинационного рассеяния света, достаточно привести следующие цифры. Из общего количества световой энергии, поступающей в изучаемое вещество, в спектральный аппарат попадает примерно одна десятимиллиардная часть. Но на долю линий комбинационного рассеяния редко приходится 2–3 % этой величины. Обычно эти линии еще более слабы, поэтому явление комбинационного рассеяния так долго оставалось незамеченным. Понадобилось огромное экспериментальное искусство, чтобы обнаружить это явление, и глубокое понимание физической природы взаимодействия между светом и веществом для того, чтобы его понять и не приписать появление неизвестных линий случайной ошибке.
При получении первых фотографий комбинационного рассеяния требовалась экспозиция в десятки часов. Аппаратура, созданная советскими учеными, позволяет теперь получить спектр чистых веществ в течение нескольких минут, а иногда и секунд. Даже для анализа сложных смесей, в которые отдельные вещества входят в количестве всего нескольких процентов, обычно достаточны экспозиции, не превышающие одного часа.
Итак, открытие и исследование комбинационного рассеяния света позволило ученым «бросить взгляд внутрь молекулы». Обычно спектральные линии, испускаемые газами при пропускании электрических искр или под влиянием высокой температуры, говорят о строении электронных оболочек атомов этих газов. Линии комбинационного рассеяния говорят о строении молекул, о силах, связывающих отдельные атомы в молекулы, об относительных движениях атомов, образующих молекулу. При расшифровке линий комбинационного рассеяния физики учились понимать своеобразный световой язык, которым молекулы рассказывают нам о своих тайнах.
Впервые этот язык, записанный на фотопластинках, проявленных в оптической лаборатории, был открыт, расшифрован и понят Мандельштамом и Ландсбергом, Раманом и Кришнаном. Они научили своих учеников разбирать этот язык. В течение полувека во всем мире ведется упорная работа по составлению словаря языка молекул, словаря, который оптики называют каталогом спектральных линий комбинационного рассеяния. Когда такой каталог будет составлен, процесс расшифровки спектрограмм значительно облегчится и не будет требовать той большой и трудоемкой работы, которая проводится сейчас при исследовании сложных веществ.
Новая жизнь
Крупное открытие, сделанное в одной из областей науки, неизбежно проявляется и в других областях, иногда кажущихся очень отдаленными. Обычно открытие оказывает воздействие и на технику, а через нее и на повседневную жизнь человечества. К таким крупным научным событиям принадлежит создание лазеров. Квантовая электроника родилась вместе с изобретением молекулярного генератора радиоволн, но ее расцвет начался после создания лазеров и освоения ею оптического диапазона. До появления лазеров наблюдение комбинационного рассеяния света требовало многочасовых экспозиций, что затрудняло применение этого метода в промышленности (впрочем, несмотря на трудности, этот метод и ранее применяли для контроля на некоторых химических предприятиях). Огромная, яркость излучения лазеров кардинально изменила ситуацию. Применение фотографической регистрации стало необязательным. Спектры комбинационного рассеяния теперь можно наблюдать непосредственно глазами. Более того, их удобно фиксировать фотоприемниками и включать эти фотоприемники в системы автоматического управления технологическими процессами. Хорошо разработанные методы наблюдения комбинационного рассеяния открыли один из путей применения лазеров в промышленности.
Создание лазеров привело к рождению новой области науки — нелинейной оптики, имеющей непосредственное отношение к проблеме рассеяния света. Нелинейная оптика пережила долгий период утробного развития. Еще в 1923 году С. И. Вавилов и В. Л. Левшин обнаружили уменьшение доли поглощенного света при увеличении интенсивности падающего света. До того никто не сомневался в независимости всех оптических явлений от интенсивности света. Но С. И. Вавилов сделал из своего частного наблюдения далеко идущие выводы. Он понял, что оптические явления не зависят от интенсивности света только тогда, когда эта интенсивность мала. Он знал, что такая ситуация встречается и в других областях науки, например в такой древней, как механика.
Даже открытое Галилеем постоянство периода колебаний маятника справедливо, только если размахи маятника малы. Стоит отклонить или толкнуть маятник сильнее, период его колебаний изменится. Это лишь простой пример. Аналогичные ситуации встречаются повсеместно.
Во всех случаях, когда главные особенности явлений не зависят от масштаба характеризующих их величин, исследования приводят к простейшим математическим уравнениям. Математики называют такие уравнения линейными потому, что одно из них описывает свойства прямой линии.
Когда закономерности какого-либо явления зависят от интенсивности (от величины) соответствующих процессов, для их изучения требуется применение более сложных — нелинейных уравнений. Поэтому, поняв, что при увеличении интенсивности света должны наблюдаться новые неведомые явления, зависящие от интенсивности света, Вавилов ввел новый термин. Он назвал нелинейной оптикой новый раздел оптики, открывшей ему свое присутствие слабой зависимостью величины поглощения света
