Часть 4

ОПТИКА. СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Раздел 13 КОРПУСКУЛЯРНЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА

13.8. Экспериментальное исследование световых квантовых флуктуаций визуальным методом

Опыты С. И. Вавилова, о которых речь пойдет, посвященные выявлению квантовой структуры света. Основное свойство квантовых флуктуаций света, которая отличает их от «классических», заключается в том, что эти флуктуации должны наблюдаться при любом состоянии постоянного источника света, если только разрежение потока достаточно велико.

Источник может быть светящимся, розсіювальним постороннее свет, раскаленными или люмінесціюючим телом. Во всех случаях должны происходить квантовые флуктуации, которые наблюдаются при достаточном ослаблении светового пучка. Если интенсивность света велика, то его квантовая (корпускулярная) природа конечно не проявляется довольно резко. В большинстве таких случаев явления происходят согласно выводам электромагнитной теории света. Здесь можно провести аналогию с кинетической теорией газов. Если число молекул газа в системе очень велико, то их свойства проявляют себя как некоторые средние (коллективные) величины - давление, плотность и т. д. Если число молекул мала, то становится заметным отклонение от средних величин, которые называют флуктуациями тех или иных величин. Флуктуации позволяют выявить корпускулярную природу газов (и вообще веществ).

Аналогичная картина наблюдается в световых (и вообще электромагнитных) процессах. Как только количество фотонов в световом потоке мала, становятся заметными флуктуации интенсивности, что обусловлено корпускулярною природой света. С. И. Вавилов считал, что флуктуации в световых потоках, которые соответствуют зрительному порога ощущения, должны наблюдаться невооруженным глазом. Он задумал и осуществил в связи с этим серию экспериментальных работ (1932-1941).

Наблюдать квантовые флуктуации в непрерывном световом потоке невозможно через конечную длительность зрительного ощущения и усреднения вследствие этого флуктуаций. Невозможно также наблюдения флуктуаций при больших угловых размерах светящейся поверхности. Для наблюдения квантовых флуктуаций света нужно фиксировать глаз на вспомогательном точечном источнике.

Следовательно, при кратковременных вспышках, небольших размерах изображения на сетчатке и фиксации глаза физические флуктуации при пороговых световых потоках обязательно должны наблюдаться, если только правильные квантовые представления о природе света. На рис. 13.6 изображена схема установки С. И. Вавилова для наблюдения квантовых флуктуаций. Свет от источника S' попадало на диск К с отверстием, который медленно вращался (1 оборот за 1 с), периодически пропуская свет в течение 0,1 с и задерживая его 0,9 с. Затем с помощью фильтра L выделялась зеленая составляющая света, и после ослабления его интенсивности в клине М свет попадал на сетчатку глаза Q. От источника S' с помощью зеркала на N сетчатку глаза постоянно направлялось красный свет. Глаз все время фиксированное на красную точку, вследствие чего зеленая точка наблюдается периферично. Опуская или поднимая на пути светового пучка в темноте клин, можно регулировать световой поток вблизи порога зрительного ощущения.

Наблюдатель в момент, когда он видел вспышка, нажимал на специальную кнопку, в результате чего на движущуюся ленту наносилась четкая метка. На этой самой ленте фиксировался каждый оборот диска.

Для наблюдений требуется достаточно длительное предварительное тренировки (5-10 сеансов по одному часу). Цель этой тренировки - приучить глаз к фиксации, до периферического зрения и одновременно к внимательности, которая нужна для своевременной регистрации наблюдаемых вспышек. При вращении диска К наблюдатель, фиксируя глаз на красное пятно, постепенно снижает яркость зеленого пятна (которая сдается за этих условий бесцветной) до порога. Со снижением яркости зеленого пятна наблюдатель замечает сначала, что каждому прохождению отверстия диска соответствует вспышка, яркость которого ослабевает. Потом начинается флуктуационный режим: с незначительным ослаблением интенсивности света вспышки появляются не при всех, а лишь при некоторых, при прохождении отверстия. Если уменьшать интенсивность света и дальше, то вспышки будут наблюдаться все реже и, наконец, так редко, что их легко пропустить. С качественной стороны это явление вполне определенно подтверждает световые квантовые флуктуации.

С. И. Вавилов установил, что порог зрительного ощущения равен 105...107 фотонам, глаз чувствует еще 100 фотонов и не чувствует уже 97 или 93 фотоны.

Как известно, явление интерференции света является убедительным доказательством волновой природы света. Интерференция света, которую предусматривает волновая теория, находит безупречное подтверждение в опытах с интенсивными пучками света. Важно было изучить интерференцию света для предельно малых интенсивностей, когда обнаруживаются корпускулярные свойства. Чтобы выделить когерентные пучки света в схеме Вавилова (см. рис. 13.6), можно поставить за диском біпризму, которая роздвоїть один пучок света на два независимых. Возникает вопрос, как вообще согласовать корпускулярную природу света с таким волновым явлением, как интерференция света? Наблюдения флуктуаций поляризации светового пучка С. И. Вавиловым доказали, что естественный свет при достаточно малых интенсивностях поляризовано в каждый момент (около 0,1 с) по-разному, то есть существуют флуктуации состояния поляризации.

В результате экспериментов С. И. Вавилов пришел к такому флуктуационного принципа: каждый изолированный любым способом световой пучок при достаточно малой мощности обнаруживает флуктуации интенсивности, которые проходят самостоятельно и независимо от колебаний в любом другом пучке.