ОПТИКА СЕРГЕЯ ВАВИЛОВА

Физик, один из лучших учеников П.Н. Лебедева, государственный и общественный деятель, историк и популяризатор науки, переводчик научной литературы (ученый в совершенстве владел пятью языками), публицист, книголюб-коллекционер, организатор и первый директор Физического института им. П.Н. Лебедева, научный руководитель Государственного оптического института, уполномоченный Государственного Комитета Обороны – чрезвычайного высшего государственного органа в годы Великой Отечественной войны, первый председатель общества «Знание», главный редактор журналов «Природа» и «Наука и жизнь», а также Большой советской энциклопедии, депутат Верховного Совета РСФСР и СССР нескольких созывов; лауреат четырех Сталинских премий СССР, академик АН СССР, президент АН СССР, Сергей Иванович Вавилов (1891–1951) является одним из основателей российской научной школы физической оптики, основоположником исследований люминесценции, микрооптики и нелинейной оптики, автором эффекта Вавилова – Черенкова, создателем отечественной оптико-механической промышленности.

Инициатор знаменитых популярных серий «Классики науки», «Биографии», «Мемуары», Вавилов и сам написал немало произведений по философии и истории естествознания, из которых мировую известность получили его книга «Глаз и Солнце», которой зачитывались несколько поколений детей и взрослых, включая самых маститых ученых, и научная биография «Исаак Ньютон». В Англии на празднествах в честь 300-летия со дня рождения Ньютона (1946), отложенных на три года из-за войны, чуть ли не центральной темой торжеств стал доклад Вавилова «Атомизм И. Ньютона». Это неудивительно, так как Сергей Иванович с младых лет был поклонником творчества английского физика и одним из лучших его знатоков. Удивительно другое – как Вавилову при его немыслимой занятости хватало времени и сил еще и на популяризацию науки! А ведь благодаря ей (этой популяризации) десятки тысяч молодых людей устремились тогда в физику. С такой же энергией ученый занимался не только «физикой», но и «лирикой». В Пушкинских Горах (Псковская обл.), например, он содействовал восстановлению Музея-заповедника А.С. Пушкина. О загруженности Вавилова самыми разными делами, причем самого высокого уровня, можно судить хотя бы по преамбуле этого очерка. Но и в ней сказано далеко не все. Возьмем одно только его президентство в АН СССР. Представьте хотя бы на минуту то время, когда Вавилов возглавлял академию: 1945–1951 гг. После четырех лет войны страна разрушена; надо поднимать хозяйство, организовывать науку, готовить научные кадры. Во многом заслугой именно президента академии стало учреждение в союзных республиках ее филиалов и академических институтов. Одновременно восстанавливались уничтоженные во время войны обсерватории и лаборатории, реорганизовывались уцелевшие. Под жестким контролем Л.П. Берии осуществлялись предписанные И.В. Сталиным грандиозные фундаментальные исследования, позволившие СССР вскоре занять ведущие мировые позиции в ядерной энергетике, ракетостроении и космонавтике, самолетостроении, обороне страны. Изучались вопросы внутреннего строения вещества, проблемы элементарных частиц, строения ядер химических атомов и молекул, кристаллов и жидкостей, физики атомного ядра и космических лучей. Обосновывая первый послевоенный пятилетний план научно-исследовательских работ академии на 1946–1950 гг., Вавилов указал, что именно «здесь узел интереснейших теоретических проблем и, вероятно, главная основа будущей техники». Надо ли говорить, насколько прозорливым оказался ученый.

С.И. Вавилов

И еще один штрих. В этой круговерти Вавилов как президент АН оказывал материальную помощь всем нуждавшимся в ней. Кандидатуры у него были расписаны по личным поступлениям – академическому, депутатскому и др.

Без натяжки можно сказать, что работал ученый круглосуточно. Днями – на службе, а ночами писал свои труды, вычитывал и правил рукописи учеников… Если ему и выпадало время на отдых, он его даром не терял. Так, например, в 1950 г. в отпуске на даче Сергей Иванович написал книгу «Микроструктура света». (О ней будет сказано особо.)

Но обратимся к научным достижениям академика – прежде всего в оптике. Первым стало изучение Вавиловым явления люминесценция – нетеплового свечения вещества, происходящего после поглощения им энергии возбуждения. Свечение было известно еще с XVIII в., но каноническое определение ему дал Вавилов в 1948 г.: «Будем называть люминесценцией избыток над температурным излучением тела в том случае, если это избыточное излучение обладает конечной длительностью примерно 10–10 секунд и больше».

До этого физик более 20 лет исследовал свечение и природу света вообще, сделал несколько открытий, что вывело его в число самых признанных авторитетов по вопросам флюоресценции и фосфоресценции в мире. С одинаковым рвением занимался ученый как теоретическими вопросами превращения световой энергии, так и техническим воплощением своих открытий, причем наиболее экономичным образом.

Описав сложнейший механизм передачи энергии между частицами вещества и создав теорию процессов свечения, Вавилов в 1938–1941 гг. разработал технологию производства ламп с люминесцирующими составами, ламп т. н. дневного, или холодного, света, намного превосходящих по своим экономическим и светотехническим показателям обычные лампы накаливания. «За разработку люминесцентных ламп» в 1951 г. коллективу ученых, которым руководил Вавилов, была присуждена Сталинская премия СССР.

Люминесцентный анализ Вавилова нашел широкое применение в промышленности и сельском хозяйстве, в медицине и криминалистике, в быту. Люминесценция и ее продукты везде – в электронных приборах, осциллографах, телевизорах, локаторах, лазерах, дефектоскопах, даже на дорожных знаках. Она позволяет исследовать спектр энергетического состояния вещества, пространственную структуру молекул, процессы миграции энергии…

Открытое в 1934 г. аспирантом Вавилова П.А. Черенковым слабое голубое свечение растворов урановых солей под воздействием гамма-излучения получило мировое признание. Изучив это новое оптическое явление, Вавилов пришел к выводу, что оно представляет собою особый, нелюминесцентный, вид свечения, обусловленный движением в веществе быстрых электронов со скоростью, превышающей скорость света в данной среде. Теоретическое объяснение явления было дано И.Е. Таммом и И.М. Франком в 1937 г. Научное открытие получило название «эффект Вавилова – Черенкова». В 1946 г. за эту работу Вавилову, Черенкову, Тамму и Франку вручили Сталинскую премию СССР I степени. В 1958 г. за открытие и объяснение этого явления Черенков, Франк и Тамм были удостоены Нобелевской премии. В Нобелевской лекции Тамм подчеркнул «определяющую роль покойного С.И. Вавилова в открытии этого излучения».

«Черенковское» свечение ныне широко используется в физике высоких энергий для регистрации релятивистских частиц и определения их скоростей, для контроля работы ядерных реакторов и т. п.

Обобщив результаты своих многолетних работ в различных областях физической оптики, Вавилов в книге «Микроструктура света» дал решение наиболее общих и принципиальных вопросов оптики, а также заложил основы нового направления в оптике, названного им микрооптикой. В монографии с единой микрооптической точки зрения автор рассмотрел квантовые свойства света, природу элементарных излучателей, взаимодействия излучающих и поглощающих молекул на расстояниях, сравнимых с длиной световой волны и пр.

«Основная идея “Микроструктуры света” заключается в том, что привычные представления оптики, характеризующей источники света и световые потоки их энергией, спектром и состоянием поляризации, оказываются недостаточными при переходе к исчезающе малым мощностям световых потоков, при рассмотрении элементарных излучающих систем и развития процесса излучения во времени. Своеобразные явления, наблюдаемые при этом, образуют специфическую область оптики элементарных процессов – “микрооптику”» (П.П. Феофилов).

За эту монографию и за книгу «Глаз и Солнце» в 1952 г. Вавилов был удостоен (посмертно) Сталинской премии I степени.

Микрооптика, в ее конкретном приложении, нашла широчайшее применение в оптической связи и оптической звуко– и видеозаписи, волоконно-оптических сетях, в кабельном телевидении, в медицинских оптических инструментах для микрохирургии, терапии, диагностики, 3D-технологиях и т. д. Ее перспективы безграничны.

В этой же монографии Вавилов дал определение нелинейной оптики – как раздела оптики, охватывающего исследования распространения мощных световых пучков в твердых телах, жидкостях и газах и их взаимодействия с веществом. Еще в 1920-х гг. Вавилов в своих экспериментах впервые столкнулся с нелинейными оптическими эффектами. Он описал это явление и предсказал его применение в технике. В 1961 г., через 10 лет после смерти ученого, принципы нелинейной оптики пригодились в лазерах. Сегодня нелинейная оптика используется при обработке информации, а также в оптических нейтронно-сетевых компьютерах, предназначенных для решения нерегулярных задач, распознавания образов, моделирования интеллекта. Без нее не обойдутся компьютеры новых поколений.