Опыты С. И. Вавилова, о которых пойдет речь, посвящены выявлению квантовой структуры света. Основное свойство квантовых флуктуаций света, которая отличает их от «классических», заключается в том, что эти флуктуации имеют наблюдаться при любом состоянии постоянного источника света
, если только разрежения потока достаточно велико. Источник может быть самосветящиеся, рассеивающих посторонний свет, раскаленным или люминесциюючим телом. Во всех случаях должны происходить квантовые флуктуации, которые наблюдаются при достаточном ослаблении светового пучка. Если интенсивность света большая, то его квантовая (корпускулярная) природа обычно не проявляется достаточно 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 большое, то свойства проявляют себя как некоторые средние (коллективные) величины - давление, плотность и т. д. Если число молекул мало, то становится заметным отклонения 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, заметны флуктуации интенсивности, что обусловлено корпускулярной природе света. С. И. Вавилов считал, что флуктуации в световых потоках, соответствующих зрительному порога ощущения, имеют наблюдаться невооруженным глазом. Он задумал и осуществил в связи серию экспериментальных работ (1932-1941).
Наблюдать квантовые флуктуации в непрерывном световом потоке невозможно из-за конечную продолжительность зрительного ощущения и усреднение вследствие этого флуктуаций. Невозможно также наблюдение флуктуаций при больших угловых размерах светящейся поверхности. Для наблюдения квантовых флуктуаций света нужно фиксировать глаз на вспомогательном точечном источнике.
Итак, 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. интенсивности в клине M свет попадал на сетчатку глаза Q. От источника S "с помощью зеркала N на сетчатку глаза постоянно направлялось красный свет. Глаз все время фиксировано на красную точку, в результате чего зеленая точка наблюдается периферический. Опуская или поднимая на пути светового пучка в темноте клин, можно регулировать световой поток вблизи порога зрительного ощущения .
Наблюдатель в момент, когда он видел вспышку, нажимал на специальную кнопку, в результате чего на движущуюся ленту наносилась четкая метка. На этой же 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, к периферического зрения и одновременно к внимательности, необходимой для своевременной регистрации наблюдаемых вспышек. При вращении диска К наблюдатель, фиксируя глаз на красное пятно, снижает постепенно яркость зеленого пятна (которая кажется при этих условиях бесцветной) до порога. Со снижением яркости зеленого пятна наблюдатель замечает сначала, что каждому прохождению отверстия диска соответствует вспышка, яркость которого ослабевает. Затем начинается флуктуационный режим: с незначительным ослаблением интенсивности света вспышки появляются не при всех, а лишь при отдельных прохождениях отверстия. Если уменьшать интенсивность света и дальше, то вспышки наблюдаться все реже и, наконец, так редко, что их уже 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 изучить интерференцию света для предельно малых интенсивностей, когда проявляются корпускулярные свойства. Чтобы выделить когерентные пучки света в схеме Вавилова (см. рис. 13.6), можно поставить за диском бипризму, которая роздвоить один пучок света на два независимых. Возникает вопрос, как вообще согласовать корпускулярной природе света с таким волновым явлением, как интерференция света? Наблюдения флуктуаций поляризации светового пучка С. И. Вавиловым доказали, что естественный свет при достаточно малых интенсивностях поляризованный в каждый момент (около 0,1 с) по-разному, то есть существуют флуктуации состояния поляризации.
В ходе экспериментов С. И. Вавилов пришел к флуктуационного принципу: каждый изолированный любым способом световой пучок при достаточно малой мощности проявляет флуктуации интенсивности, происходящие самостоятельно и независимо от колебаний в любом другом пучке.