Анна Ливанова - Физики о физиках

Что значит «оптическая однородность»? Оптически однородную среду можно разбить на достаточно малые пространственные области, размеры которых малы по сравнению с длиной световой волны; и каждая из таких областей будет содержать равное количество частиц. Равное число частиц в таких малых областях и есть определение однородности.

А что такое «мутность» среды? Это есть способность рассеивать свет. Рэлей полагал, что оптически однородная среда становится мутной благодаря движению молекул. Мандельштам это утверждение оспорил: «Мы приходим к выводу, что оптически однородная среда не может являться мутной, независимо от того, движутся частицы или нет. Мне кажется недопустимым приложение рэлеевской теории мутных сред к атмосфере». «Если среда оптически неоднородна, то падающий свет будет рассеиваться и в стороны. В этом случае среда является мутной».

Свой вывод, подкрепленный теоретическими расчетами и собственными экспериментами, Мандельштам изложил в 1907 году в профессорской диссертации «Об оптически однородных и мутных средах» — первой его работе по рассеянию света. В том же году он ищет и причину рассеяния, возможные нарушения однородности: «Газы в обычных условиях (атмосферное давление) должны рассматриваться как оптически однородные тела. Но тогда… нельзя ожидать никакого молекулярного рассеяния света в газах. Тем самым оказывается недопустимым сводить голубой цвет неба к рассеянию солнечного света самими молекулами воздуха… Скорее в атмосфере взвешены посторонние частички, и эти частички делают ее оптически неоднородной средой».

В диссертации Мандельштам полемизирует и с Максом Планком относительно природы явлений, наблюдаемых при прохождении света сквозь вещество. Эта довольно продолжительная дискуссия доказала правоту Мандельштама, его более точное и тонкое понимание физических процессов.

С такой смелостью и независимостью в научной позиции, в отстаивании своей точки зрения вопреки самым высоким авторитетам любопытно сочетались некоторые черты характера Мандельштама. Так, он всегда очень волновался и робел, когда надо было сдавать экзамены. При окончании университета для получения степени доктора требовалось не только представить диссертацию, но и сдать необходимые экзамены. Мандельштам так страшно волновался, что из Швейцарии в Страсбург специально приехал его дядя, биолог, пришел в университет и просто втолкнул племянника в зал, где шли экзамены. Этот зал Мандельштам покинул уже доктором «с высшим отличием».

Вопрос об истинных причинах молекулярного (его еще называют классическим, или рэлеевским) рассеяния света получил свое разрешение в течение нескольких последующих лет трудами Эйнштейна, выдающегося польского физика Мариана Смолуховского и Мандельштама. Когда была решена одна из великих проблем физики, когда победила молекулярно-кинетическая теория, тогда была найдена и истинная причина рассеяния.

Вывод Мандельштама был подтвержден — мутной, способной рассеивать свет может быть только оптически неоднородная среда. Но причина неоднородности — не посторонние частицы, или не только они, а постоянное возникновение и рассасывание в воздухе флуктуаций плотности, то есть хаотических, малых и неустойчивых отклонений от средней плотности, еле заметных сгущений и разрежений атмосферы. Изменения плотности влекут за собой столь же малые изменения показателя преломления, а раз меняется показатель преломления, то происходит и различное отклонение лучей, другими словами — их рассеяние.

В большой работе, опубликованной в 1913 году, Мандельштам с этих позиций рассмотрел рассеяние света уже не в газообразной среде, а при отражении его от поверхности жидкости.

Естествен был для него и следующий шаг — объяснить и рассчитать, как происходит рассеяние света при его взаимодействии с твердыми телами, в частности с кристаллами, имеющими ярко выраженную пространственную структуру — кристаллическую решетку. Для этого Мандельштам воспользовался теорией выдающегося немецкого физика Дебая, который рассматривал тепловые колебания атомов кристалла как некую совокупность акустических волн. Действительно, если тепловое движение в газах хаотично, то в твердом теле, где атомы известным образом связаны между собой, тепловые колебания тоже взаимосвязаны, упорядочены. Поэтому их и можно изобразить в виде волн. Не составляет большого труда мысленно представить себе эти волны — сгущения плотности в одних точках пространства и разрежения в других.

Однако, как отмечает Мандельштам, не только в газах и жидкостях, но и в твердых телах должны быть флуктуации плотности, значит надо рассматривать не только сгущения и разрежения в пространстве, но и какие-то изменения их во времени. Правда, в отличие от газов опять-таки из-за взаимосвязи атомов решетки эти изменения во времени тоже становятся упорядоченными, определенными для данного вещества, для данного типа кристаллической решетки.

Мандельштам всегда считал, что различные науки должны помогать друг другу своими идеями, методами и представлениями, и умел привлекать их к такой взаимопомощи. Теперь он призвал на помощь оптике радиофизику. Всем известно, что передача по радио речи, музыки стала возможна благодаря модуляции электромагнитных колебаний звуковыми. Другими словами, изменение электромагнитных волн во времени, совершающееся с частотой звуковых колебаний, и позволяет передавать звуки в пространстве — они как бы «приезжают» к радиослушателям на электромагнитной волне. Аналогичным образом рассеянный кристаллом свет модулируется добавочными колебаниями дебаевских акустических волн во времени. Значит, длина волны рассеянного света должна слегка изменяться — слегка, потому что частота акустических волн значительно ниже частоты световых волн.

Итак, рассеянный свет, помимо своих основных длин волн и соответствующих им основных линий в спектре, должен иметь еще и модулированные волны и им соответствующие спутники основных линий в спектре. Спутники должны быть расположены очень близко к основной линии и крайне слабы по интенсивности из-за малой величины флуктуаций по сравнению с основными колебаниями.

Эти идеи Мандельштам начал развивать теоретически с 1918 года, а опубликовал их через шесть лет. За это время некоторые из его результатов получил и французский физик Леон Бриллюэн, почему этот вид рассеяния называют эффектом Мандельштама-Бриллюэна. Мандельштаму очень хотелось экспериментально проверить свои предположения. Такая возможность представилась ему, наконец, когда он стал работать в Московском университете.

Вместе с Григорием Самуиловичем Ландсбергом он поставил опыты по рассеянию в кристалле кварца света от ртутной лампы.