Однако оказалось, что придумать хороший опыт для проверки квантовой теории — дело чрезвычайно сложное. Надо было найти такие следствия из «зернистой» структуры света, которые допускают их непосредственную практическую проверку.
Перелистывая журналы и слушая научные доклады, Сергей Иванович все больше убеждался в том, что такой непосредственной проверки квантовой теории, пожалуй, никто еще не делал. Соображения в защиту правильности новых представлений основывались на косвенных данных опыта. Но ведь при этом могло быть что-нибудь упущено.
Не сразу и не легко пришли верные идеи. Вспышки вдохновения озаряли долгий и кропотливый будничный труд. Но, когда схема опыта, которую искали, четко обозначилась в сознании, Вавилов твердо знал: она верна. Товарищи, с которыми он поделился своими выводами, согласились с его уверенностью.
В качестве лакмусовой бумажки для проверки наличия в световых потоках квантов Вавилов выбрал одну физическую величину: коэффициент поглощения света. Эта величина представляет собою отношение количества поглощенного света к интенсивности, то есть яркости падающего света, и хорошо известна в оптике.
С незапамятных времен считалось, что коэффициент поглощения — постоянная величина, что он не зависит от силы света. Пропустите сквозь окрашенную пленку (например, через желатин) пучок света и измерьте, на какую долю яркости свет ослабеет при этом. После этого увеличьте яркость первичного пучка. Если хотите, напротив, уменьшите ее во много раз. Естественно, что вторичный пучок, то есть луч, прошедший через пленку, соответственно усилится или ослабится. Доля же ослабления останется той же самой: коэффициент поглощения не изменится от ваших манипуляций.
Таков простой и ясный смысл знаменитого закона Бугера, установленного на опыте еще в 1729 году и с тех пор многократно подтвержденного.
Вавилов с огромным уважением относился к исследователю, сформулировавшему этот закон. Он говорил, что Пьер Бугер в своей области «является такой же замечательной фигурой, как Кеплер или Ньютон. Бутер впервые ввел количественное измерение света», то есть, как называется это в физике, фотометрию.
И вот, исходя из безупречности основного закона абсорбции (поглощения) света, Сергей Иванович разработал принципы опытной проверки квантовой теории света.
Безупречный там, где его установили, то есть в обычных условиях практики, в условиях, где световые кванты, даже если они есть, себя не проявляют (и, значит, можно не обращать на них внимания, даже если свет зернист), закон Бутера, однако, должен нарушаться в каких-то специальных случаях, в таких, где квантовая структура света не может о себе умалчивать.
Что же это за «специальные случаи»?
Соображения теории подсказывают, что коэффициент абсорбции должен утратить постоянство (а закон Бугера — свою силу) в двух крайних случаях: когда интенсивность падающего света исчезающе мала и, наоборот, когда она чрезмерна.
В первом случае роковую роль для закона Бугера играют флуктуации — отклонения от средних значений в обе стороны — числа фотонов в световом потоке.
Дело в том, что если свет — поток фотонов, то в высшей степени беспорядочно движущихся фотонов. Объясняется это, с одной стороны, «классическими» причинами, то есть процессами, рассматриваемыми в классической физике, с другой стороны — квантовыми причинами, связанными с тонким механизмом рождения и исчезновения квантов в атомах и молекулах.
Первые из них просты и очевидны. Обычный источник света состоит из множества излучающих движущихся частиц, взаимодействующих одна с другой, соударяющихся, получающих новые импульсы к излучению или, напротив, прекращающих излучать при ударах. Естественно, что, испускаемые хаотически мятущимися туда и сюда молекулами и атомами, фотоны не могут двигаться так, чтобы через какую-нибудь точку пространства их пролетало бы за единицу времени неизменное число.
Беспорядок по вине таких «классических» причин усиливается за счет непрерывного поглощения фотонов мельчайшими частицами вещества (что вызывает, как говорят, возбуждение частиц материи) и последующего спонтанного, то есть самопроизвольного, испускания квантов света этими частицами материи (с утратой возбуждения, с переходом в нормальное, невозбужденное состояние).
В повседневной жизни мы имеем дело главным образом с плотными, насыщенными световыми потоками. Фотонов в них так много, что, как показывает статистическая физика, отклонения их числа от среднего значения практически неизменны: мы не обнаруживаем «мигания» обычных источников света (если только оно не вызвано неравномерным питанием энергией).