100 великих - 100 великих научных достижений России

E = pv = mv·v,

где v – скорость света.

Лебедеву без защиты магистерской диссертации (редчайший случай в университетской практике!) присудили степень доктора наук, премию АН и избрали членом-корреспондентом АН. В 1901 г. новоиспеченному профессору дали кафедру в Московском университете.

Продолжив свои изыскания по световому давлению на газы, которое было во много раз меньше, чем на твердые тела (в связи с чем и сложность эксперимента возросла на порядок), Лебедев успешно разрешил трудности теоретического и экспериментального характера и о полученных результатах впервые сообщил в «Анналах физики» в 1910 г.

Новые опыты Лебедева были встречены мировой физической общественностью с восторгом. Британский Королевский институт избрал Лебедева своим почетным членом. В 1912 г. Лебедев был назван кандидатом на Нобелевскую премию, но, увы, повторилась история с Д.И. Менделеевым. Петр Николаевич скоропостижно скончался в возрасте 46 лет – во многом из-за серьезной драмы в его карьере ученого.

В 1911 г. Лебедев вместе с ректором и рядом других профессоров оставил Московский университет в знак протеста против действий министра просвещения Л.А. Кассо, направленных на ограничение автономии университета. На частные пожертвования в наемном помещении была организована физическая лаборатория, куда и перешел Лебедев со своими 30 учениками, многие из которых – П.П. Лазарев, С.И. Вавилов, В.К. Аркадьев, Т.П. Кравец и др. – стали всемирно известными учеными, а сама лаборатория – прообразом коллективной научной работы XX в.

Продолжать свои уникальные эксперименты на новом месте Лебедеву было очень сложно. Институт Нобеля в Стокгольме дважды приглашал физика на должность директора лаборатории, но он остался верен своим ученикам.

Все это привело к трагическому концу. Всей России стали известны слова физиолога И.П. Павлова: «Когда же Россия научится беречь своих выдающихся сынов – истинную опору Отечества?»

Опыты Лебедева открыли столбовую дорогу физикам, давшим миру квантовую и гравитационную теории, физику элементарных частиц и Вселенной. Главное уравнение теории относительности воспроизводило формулу русского ученого с той лишь разницей, что скорость света была обозначена не буквой v, а c: E = mc².

В середине XX в. были созданы атомная и водородная бомбы, в которых использовано именно давление света, но уже чудовищной величины. Пришла новая эпоха, поставившая перед физикой не только задачи созидания, а больше – разрушения.

У Лебедева не много работ, посвященных другим аспектам физики, но все они вошли в историю науки. Так, в 1895 г. он создал тончайшую установку для генерирования и приема электромагнитного излучения с длиной волны 6 и 4 мм, исследовал на ней отражение, преломление, поляризацию, интерференцию этих волн и другие явления. Ученый глубоко интересовался проблемами астрофизики, активно работал в Международном союзе по исследованию Солнца, написал ряд статей о кажущейся дисперсии межзвездной среды. В последние годы жизни его внимание привлекла проблема ультразвука. Исследовал физик также роль вращения Земли в возникновении земного магнетизма. Принцип термоэлемента в вакууме, выдвинутый Лебедевым, ныне нашел широкое применение в военной технике.

НИЗКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КАПИЦЫ

Физик, пропагандист и организатор науки, общественный деятель; почетный доктор 11 ведущих университетов мира; профессор-исследователь Лондонского Королевского общества, профессор МГУ; один из организаторов МФТИ, профессор и завкафедрой физики и техники низких температур МФТИ; академик, член Президиума АН СССР, член совета Тринити-колледжа, Лондонского Королевского и 30 других зарубежных академий наук и научных обществ; заместитель директора Кавендишской лаборатории по магнитным исследованиям, руководитель лаборатории им. Монда Королевского общества, директор Институт физических проблем в Москве; главный редактор «Журнала экспериментальной и теоретической физики»; член Советского комитета Пагуошского движения за мир и разоружение; лауреат Премии им. Дж. Максвелла, двух Сталинских премий, Нобелевской премии по физике; кавалер 6 орденов Ленина, ордена Трудового Красного Знамени, Большой золотой медали им. М.В. Ломоносова, золотых медалей М. Фарадея, Б. Франклина, Н. Бора, Э. Резерфорда, Х. Камерлинг-Оннеса и др. наград; дважды Герой Социалистического Труда, Петр Леонидович Капица (1894–1984) является крупнейшим физиком-экспериментатором, внесшим значительный вклад в развитие физики магнитных явлений, квантовой физики конденсированного состояния, электроники и физики плазмы. Имя Капицы неразрывно связано с развитием физики и техники низких температур и открытием сверхтекучести гелия.

Главным отличительным свойством Капицы, «собравшего» за жизнь много больше других советских ученых всевозможных международных наград и почетных званий, было завидное сочетание в нем ученого и инженера. Он стал одним из первых деятелей науки, усиленно внедрявшим все свои достижения в народное хозяйство. В данном случае слово «внедрявшего» не совсем верно отражает суть – все открытия и изобретения ученого сами ложились в русло научно-технического прогресса, ставшего основой мощи СССР.

П.Л. Капица и Н.Н. Семенов. Художник Б.М. Кустодиев

Исследования Капицы условно можно разделить на две большие, равные по их научному вкладу области: физику низких температур, которой ученый занимался в 1920–1945 гг., и физику высокотемпературной плазмы и управляемого термоядерного синтеза, ставших предметом его изучения в послевоенный период. Ограничимся рассказом о научных достижениях Капицы в физике низких температур.

В 1921 г. ученый был командирован в Англию, где он работал в Кембриджском университете у Э. Резерфорда, а заодно занимался приобретением оборудования для научных учреждений России. В Кембридже Капица занялся экспериментальными исследованиями в области физики низких температур, создал метод получения сверхсильных магнитных полей, в 6–7 раз превосходивших все прежние, соответствующую технику. Благодаря короткому импульсу разряда (0,01 с) оборудование не перегревалось и не разрушалось.

Для достижения необходимого диапазона низких температур требовалось большое количество сжиженных газов. С этой целью ученый разработал несколько принципиально новых холодильных машин (например, в 1932 г. ожижитель водорода), самой знаменитой из которых стала установка для адиабатического охлаждения гелия при температуре около 4,3 °К, с небывало высокой производительностью – 2 л жидкого гелия в час (1934). Капице удалось решить сложнейшие технические задачи, связанные не только с производительностью, но и с заменой предварительного охлаждения гелия жидким водородом на охлаждение его в специальном расширительном детандере, с проблемой замерзания смазки движущихся частей при низких температурах – для этого физик использовал сам жидкий гелий. Все изготовляемые ныне ожижители гелия создаются по модели Капицы.

В СССР Капица продолжил свои исследования с жидким гелием, для чего советское правительство закупило у Резерфорда все необходимое оборудование. Спроектировав несколько установок для сжижения еще и других газов, ученый в 1938 г. создал эффективную турбину, на которой обнаружил необычайное уменьшение вязкости и одновременное увеличение теплопроводности жидкого гелия (гелия-2) при охлаждении до температуры ниже критической – 2,17 °К.

Результаты своих исследований Капица опубликовал в британском журнале «Нейче»; новое явление назвал сверхтекучестью. «При переходе тепла от твердого тела к жидкому гелию на границе раздела возникает скачок температуры, получивший название скачка Капицы; величина этого скачка очень резко растет с понижением температуры». Это фундаментальное открытие положило начало развитию нового направления в физике – квантовой физике конденсированного состояния, для чего пришлось ввести новые квантовые представления – т. н. элементарные возбуждения, или квазичастицы.

В 1939 г. ученый построил установку низкого давления для промышленного получения кислорода из воздуха. В ней Капица использовал принципиально новый метод сжижения воздуха с помощью цикла низкого давления, осуществляемого в высокоэффективном радиальном турбодетандере с КПД 80–85 % (сегодня 86–92 %).

С начала 1940-х гг. во всем мире крупные установки разделения воздуха для получения кислорода, азота и инертных газов использовали предложенный русским физиком цикл низкого давления. Надо ли говорить что-либо еще о вкладе ученого в развитие нашей (да и не только нашей) промышленности, если половину получаемого кислорода (а это не менее 100 млрд кубометров в год!) используется в черной и цветной металлургии, не говоря о химической, пищевой промышленности, в медицине, ракетной технике и т. д.

Во время Великой Отечественной войны Капица внедрял в промышленное производство разработанные им кислородные установки. В 1943 г. ученый запустил в Институте физических проблем опытный завод. Тогда же он был назначен начальником Главного управления кислородной промышленности при СНК СССР (Главкислород).

За эту работу и за открытие сверхтекучести гелия физику были присуждены две Сталинские премии I степени. В 1978 г. Капица стал лауреатом Нобелевской премии по физике за «фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур» (совместно с А.А. Пензиасом и Р.В. Вильсоном).

«Петр Леонидович принадлежит к числу самых ярких людей, оказавших влияние на глубинное развитие советской физики. Это влияние нашло отражение не только в полученных научных результатах, но и в создании духа объективного познания истины. Жаль, что такие люди появляются редко» (Академик Ю.А. Осипьян).

ИЗЛУЧЕНИЕ ВАВИЛОВА – ЧЕРЕНКОВА

Физики, доктора физико-математических наук, профессора, академики АН СССР, руководители научных коллективов, лауреаты Сталинских (Государственных) премий, кавалеры высших наград страны, в том числе орденов Ленина и Трудового Красного Знамени, Сергей Иванович Вавилов (1891–1951) и Павел Алексеевич Черенков (1904–1990) являются авторами открытия эффекта Вавилова – Черенкова (1934), а Игорь Евгеньевич Тамм (1895–1971) и Илья Михайлович Франк (1908–1990) – авторами теории, описавшей данный эффект (1937). За открытие и объяснение этого явления все четверо ученых были удостоены в 1946 г. Сталинской премии I степени, а в 1958 г. П.А. Черенков, И.Е. Тамм и И.М. Франк получили Нобелевскую премию по физике.

Эффект Вавилова – Черенкова был обнаружен случайно, хотя открытие оказалось закономерным развитием работ академика С.И. Вавилова по исследованию свечения и природы света, в частности люминесценции, ставшей темой кандидатской диссертации аспиранта Вавилова – П.А. Черенкова.

П.А. Черенков

Занимаясь исследованиями люминесценции растворов ураниловых солей при облучении их гамма-квантами от радиоактивного радиевого источника, аспирант обратил внимание на голубоватое свечение стеклянного стаканчика с серной кислотой. Заменив кислоту другими прозрачными жидкостями, ученый столкнулся с необъяснимым эффектом – самые разные жидкости светились с равной интенсивностью, что указывало на что угодно, только не на люминесценцию. Это непрошеное свечение весьма отвлекало аспиранта от главного предмета его исследований. Черенков удалял примеси – скрытые источники флуоресценции, уменьшал яркость флуоресценции нагреванием и добавлением йодистого калия, нитрата серебра, но голубое свечение оставалось неизменным. К тому же физик обнаружил, что свечение поляризовано параллельно, а не перпендикулярно направлению падающих гамма-лучей, как должно было быть при флуоресценции.

Аспирант продемонстрировал обнаруженный им эффект своему руководителю. Вавилов – крупнейший в мире специалист по люминесценции заинтересовался этим явлением. Было известно, что оно уже отмечалось другими физиками, в частности Марией и Пьером Кюри, посчитавшими свечение проявлением люминесценции.

Убедившись, что яркость свечения действительно практически не зависит от химического состава жидкости (двойного дистиллята или раствора), и что по измеренным Черенковым характеристикам оно не имеет никакого отношения к люминесценции, Вавилов предположил, что свет излучают быстрые электроны, образующиеся в растворе под действием гамма-лучей. При этом излучение возникает практически мгновенно с началом движения и исчезает сразу же после прохождения электрона. Дав первое теоретическое объяснение открытого его учеником эффекта, академик инициировал продолжение работ в этом направлении.

Надо сказать, что в то время (начало 1930-х гг.) самым надежным оптическим прибором, фиксировавшим все нюансы свечения, был человеческий глаз. Да и вообще все физические опыты за неимением адекватной приборной базы были предельно просты. «В большей части экспериментов применялся разработанный Вавиловым с учениками метод использования человеческого глаза для количественных измерений световых потоков по порогу зрения» (Б.Б. Говорков).

По воспоминаниям Е.П. Черенковой, дочери Павла Алексеевича, отец часами сидел в подвале, привыкая к темноте и приучая свои глаза к отлову фотонов, после чего приступал к экспериментам. Говорят, Черенков умудрялся замечать даже одну частицу света!

Результаты наблюдений Черенков изложил в статье, опубликованной в 1934 г. в «Докладах Академии наук», – «Видимое свечение чистых жидкостей под действием ?-радиации», там же была помещена и теоретическая работа С.И. Вавилова – «О возможных причинах синего ?-свечения жидкостей». Через некоторое время черенковскую статью поместили в журнале «The Physical Review» (США).

Как директор ФИАНа (Физического института им. П.Н. Лебедева АН СССР), Вавилов предложил своим сотрудникам И.М. Франку и И.Е. Тамму заняться теоретическими аспектами «таинственного излучения» и порекомендовал им соответствующую литературу.

За несколько лет экспериментов Черенков накопил достаточно результатов, чтобы их можно было заключить в русло некоей теории. Франк и Тамм на основе классической электродинамики создали теорию излучения, главным пунктом которой было предположение, что быстрые электроны летят равномерно и прямолинейно со скоростью, превышающей скорость света в данной среде, и при этом испускают электромагнитные волны. (Как известно, в воде или в стекле скорость света существенно уменьшается из-за столкновения фотонов с атомами вещества.) Теория базировалась на т. н. эффекте Комптона, когда при гамма-облучении из атомов среды вылетают электроны, поглотившие гамма-кванты.

Все установленные Черенковым свойства излучения: его универсальность, спектр, поляризация, устремленность в узком конусе с осью в направлении траектории гамма-лучей – описывались соответствующими формулами и определениями, учитывающими дисперсию, то есть зависимость показателя преломления среды от частоты испускаемого света.

Теория была количественно подтверждена экспериментами Черенкова (продолжавшимися до 1944 г.) и ряда зарубежных ученых. Эффект свечения был обнаружен и при взаимодействии с веществом других заряженных частиц: мезонов, протонов и др. Статья Тамма и Франка в «Докладах Академии наук» «Когерентное излучение быстрого электрона в среде» (1937) поставила точку в объяснении эффекта Вавилова – Черенкова.

Интерпретаторы этого эффекта, свойственного не только жидкостям, но и твердым телам, любят сравнивать его с «оптическим эквивалентом ударной волны, которую вызывает в атмосфере сверхзвуковой самолет, преодолевая звуковой барьер», либо с волной, возникающей при движении лодки со скоростью, превышающей скорость распространения волн в воде.

Воспринятое маститыми коллегами физиков поначалу с недоверием и даже с издевками (у Черенкова, например, интересовались, а не пробовал ли он изучать свечение в шляпе, и вообще подозревали в спиритизме), открытие в конце концов обрело мировое признание, причем абсолютное, если считать присуждение Нобелевской премии (1958) таковым.

Кстати, за 6 лет до этого, в 1952 г., кандидатуру Черенкова на присуждение ему Нобелевской премии предлагал профессор Л. Розенфельд (Англия), который не смог тогда представить тексты работ советского физика.

Дальнейшее развитие теория излучения Вавилова – Черенкова получила в работах Тамма и Франка, В.Л. Гинзбурга (разработка квантовой теории этого излучения), Б.М. Болотовского, В.П. Зрелова, Г.А. Аскарьяна и других отечественных, а также зарубежных ученых.

«Выяснилась… связь между этим явлением и другими проблемами, как, например, связь с физикой плазмы, астрофизикой, проблемой генерирования радиоволн и проблемой ускорения частиц». (Черенков П.А., Тамм И.Е., Франк И.М. Нобелевские лекции. М., 1960.)

Конец бесплатного ознакомительного фрагмента.