Российские нобелевские лауреаты

Российские нобелевские лауреаты

исследований, П. проводит теоретический анализ применения микроволновых

спектров поглощения для усовершенствования эталонов частоты и времени.

Полученные выводы привели П. к сотрудничеству с Николаем Басовым в

разработке молекулярных генераторов, называемых ныне мазерами (аббревиатура

из первых букв английских слов: микроволновое усиление с помощью

индуцированного стимулированного излучения – microwave amplification by

stimulated emisson of radiation).

Основной принцип квантовой физики состоит в том, что атомы и молекулы

обладают энергиями (возникающими вследствие расположения и движения их

электронов), ограниченными некоторыми дискретными значениями, или

энергетическими уровнями. Множество разрешенных энергетических уровней

характерно для каждого атома или молекулы. Согласно другому принципу,

электромагнитное излучение, например свет или радиоволны, состоит из

дискретных порций энергии (фотонов), энергия которых пропорциональна

частоте. Если фотон имеет энергию, равную разности энергии между двумя

уровнями, то атом или молекула могут поглотить излучение и совершить

переход с нижнего уровня на верхний. Затем атом или молекула спонтанно

переходят на нижний энергетический уровень (необязательно на исходный),

отдавая разность энергии между двумя уровнями в форме фотона излучения. И в

этом случае частота излучения находится в соответствии с энергией

испущенного фотона. В 1917 г. Альберт Эйнштейн, занимаясь изучением

взаимодействия излучения с веществом в ограничейной области, вывел

уравнение, описывающее уже известные нам процессы поглощения и спонтанного

испускания. Уравнение Эйнштейна, кроме того, предсказывает третий процесс,

называемый индуцированным излучением, – переход возбужденного атома или

молекулы из состояния с высокой энергией в состояние с более низкой

энергией из-за наличия излучения, фотоны которого имеют энергию, равную

разности энергий этих двух уровней. Теряемая при переходе энергия

испускается в виде фотонов такого же типа, как и фотоны, индуцировавшие

излучение.

П. и Басов предложили метод использования индуцированного излучения. Если

возбужденные молекулы отделить от молекул, находящихся в основном

состоянии, что можно сделать с помощью неоднородного электрического или

магнитного поля, то тем самым можно создать вещество, молекулы которого

находятся на верхнем энергетическом уровне. Падающее на это вещество

излучение с частотой (энергией фотонов), равной разности энергий между

возбужденным и основным уровнями, вызвало бы испускание индуцированного

излучения с той же частотой, т.е. вело бы к усилению. Отводя часть энергии

для возбуждения новых молекул, можно было бы превратить усилитель в

молекулярный генератор, способный порождать излучение в

самоподдерживающемся режиме.

П. и Басов сообщили о возможности создания такого молекулярного

генератора на Всесоюзной конференции по радиоспектроскопии в мае 1952 г.,

но их первая публикация относится к октябрю 1954 г. В 1955 г. они

предлагают новый «трехуровневый метод» создания мазера. В этом методе атомы

(или молекулы) с помощью «накачки» загоняются на самый верхний из трех

энергетических уровней путем поглощения излучения с энергией,

соответствующей разности между самым верхним и самым нижним уровнями.

Большинство атомов быстро «сваливается» на промежуточный энергетический

уровень, который оказывается плотно заселенным. Мазер испускает излучение

на частоте, соответствующей разности энергий между промежуточными и нижним

уровнями.

За десять месяцев до того, как П. и Басов в 1954 г. опубликовали свою

статью, Чарлз Х. Таунс, американский физик из Колумбийского университета,

который независимо пришел к аналогичным выводам, построил действующий

мазер, подтвердивший предсказания П. и Басова. Таунс использовал

резонансную камеру, заполненную возбужденными молекулами аммиака, и получил

необычайно сильное усиление микроволн на частоте 24000 мегагерц. В 1960 г.

трехуровневый метод был подтвержден американским физиком Теодором Мейменом,

работавшим в компании «Хьюз эйркрафт». Он получил усиление световых волн,

используя в качестве резонансной камеры длинный кристалл синтетического

рубина, на который была навита спиральная трубка с газом ксеноном. Газовый

разряд сопровождался вспышками, способными вызвать индуцированное

излучение. Поскольку Меймен использовал свет, его прибор получил название

«лазер» (аббревиатура из первых букв английских слов: усиление света с

помощью индуцированного (стимулированного) излучения – light amplification

by. stimulated emission of radiation).

Будучи директором лаборатории колебаний в институте им. П.Н. Лебедева (с

1954 г.), П. создает две новые лаборатории – радиоастрономии и квантовой

радиофизики. Он консультирует многочисленные научно-исследовательские

институты по проблемам квантовой электроники и организует лабораторию

радиоспектроскопии в Научно-исследовательском институте ядерных

исследований при Московском государственном университете, профессором

которого П. становится в 1957 г.

С середины 50-х гг. П. сосредоточивает усилия на разработке мазеров и

лазеров и на поиске кристаллов с подходящими спектральными и

релаксационными свойствами. Проведенные им подробные исследования рубина,

одного из лучших кристаллов для лазеров, привели к широкому распространению

рубиновых резонаторов для микроволновых и оптических длин волн. Чтобы

преодолеть некоторые трудности, возникшие в связи с созданием молекулярных

генераторов, работающих в субмиллиметровом диапазоне, П. предлагает новый

открытый резонатор, состоящий из двух зеркал. Этот тип резонатора оказался

особенно эффективным при создании лазеров в 60-е гг.

Нобелевская премия по физике 1964 г. была разделена: одна половина ее

присуждена П. и Басову, другая – Таунсу «за фундаментальные работы в

области квантовой электроники, приведшие к созданию генераторов и

усилителей на основе принципа мазера – лазера».

Находясь на посту заместителя директора Физического института АН СССР им.

П.Н. Лебедева с 1973 г., П. продолжает расширять исследование по физике

лазеров, в том числе по их применению для изучения многоквантовых процессов

и термоядерного синтеза.

П. женат на Галине Алексеевне Шелепиной, географе по специальности, с

1941 г. У них один сын.

В 1960 г. П. избирают членом-корреспондентом, в 1966 т. – действительным

членом и в 1970 г. – членом президиума АН СССР. Он почетный член

Американской академии наук и искусств. В 1969 г. он был назначен главным

редактором Большой Советской Энциклопедии. П. почетный профессор

университетов Дели (1967) и Бухареста (1971). Советское правительство

присвоило ему звание Героя Социалистического Труда (1969).

2.4. ФРАНК, Илья

23 октября 1908 г. – 22 июня 1990 г.

Нобелевская премия по физике, 1958 гсовместно с Павлом Черенковым и

Игорем Таммом

Русский физик Илья Михайлович Франк родился в Санкт-Петербурге. Он был

младшим сыном Михаила Людвиговича Франка, профессора математики, и

Елизаветы Михайловны Франк. (Грациановой), по профессии физика. В 1930 г.

он закончил Московский государственный университет по специальности

«физика», где его учителем был С.И. Вавилов, позднее президент Академии

наук СССР, под чьим руководством Ф. проводил эксперименты с люминесценцией

и ее затуханием в растворе. В Ленинградском государственном оптическом

институте Ф. изучал фотохимические реакции оптическими средствами в

лаборатории А.В. Теренина. Здесь его исследования обратили на себя внимание

элегантностью методики, оригинальностью и всесторонним анализом

экспериментальных данных. В 1935 г. на основе этой работы он защитил

диссертацию и получил степень доктора физико-математических наук.

По приглашению Вавилова в 1934 г. Ф. поступил в Физический институт им.

П.Н. Лебедева АН СССР в Москве, где и работал с тех пор. Вавилов настаивал,

чтобы Ф. переключился на атомную физику. Вместе со своим коллегой

Л.В. Грошевым Ф. провел тщательное сравнение теории и экспериментальных

данных, касающееся недавно открытого явления, которое состояло в

возникновении электронно-позитронной пары при воздействии гамма-излучения

на криптон.

Примерно в это же время Павел Черенков, один из аспирантов Вавилова в

Институте им. Лебедева, начал исследование голубого свечения (позднее

названного излучением Черенкова или излучением Вавилова – Черенкова),

возникающего в преломляющих средах под воздействием гамма-лучей. Черенков

показал, что это излучение не было еще одной разновидностью люминесценции,

но он не мог объяснить его теоретически. В 1936...1937 гг. Ф. и Игорь Тамм

сумели вычислить свойства электрона, равномерно движущегося в некоторой

среде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде (нечто

напоминающее лодку, которая движется по воде быстрее, чем создаваемые ею

волны). Они обнаружили, что в этом случае излучается энергия, а угол

распространения возникающей волны просто выражается через скорость

электрона и скорость света в данной среде и в вакууме.

Одним из первых триумфов теории Ф. и Тамма было объяснение поляризации

излучения Черенкова, которая, в отличие от случая люминесценции, была

параллельна падающему излучению, а не перпендикулярна ему. Теория казалась

столь удачной, что Ф., Тамм и Черенков экспериментально проверили некоторые

ее предсказания, такие, как наличие некоторого энергетического порога для

падающего гамма-излучения, зависимость этого порога от показателя

преломления среды и форма возникающего излучения (полый конус с осью вдоль

направления падающего излучения). Все эти предсказания подтвердились. В

знак признания этой работы Ф. в 1946 г. был избран членом-корреспондентом

АН СССР и вместе с Таммом, Черенковым и Вавиловым был награжден

Государственной премией СССР.

Трое здравствующих членов этой группы (Вавилов умер в 1951 г.) были в

1958 г. награждены Нобелевской премией по физике «за открытие и

истолкование эффекта Черенкова». В своей Нобелевской лекции Ф. указывал,

что эффект Черенкова «имеет многочисленные приложения в физике частиц

высокой энергии». «Выяснилась также связь между этим явлением и другими

проблемами, – добавил он, – как, например, связь с физикой плазмы,

астрофизикой, проблемой генерирования радиоволн и проблемой ускорения

частиц».

Исследование Ф. эффекта Черенкова знаменовало начало его длительного

интереса к влиянию оптических свойств среды на излучение движущегося

источника; одна из его статей об излучении Черенкова появилась уже в

1980 г. Одним из наиболее важных вкладов Ф. в эту область была теория

переходного излучения, которую он сформулировал вместе с советским физиком

В.Л. Гинзбургом в 1945 г. Этот вид излучения возникает из-за перестройки

электрического поля равномерно движущейся частицы, когда она пересекает

границу между двумя средами, обладающими разными оптическими свойствами.

Хотя эта теория была позднее проверена экспериментально, некоторые из ее

важных следствий не удавалось обнаружить лабораторным путем еще более

десятка лет.

Кроме оптики, среди других научных интересов Ф., особенно во время второй

мировой войны, можно назвать ядерную физику. В середине 40-х гг. он

выполнил теоретическую и экспериментальную работу по распространению и

увеличению числа нейтронов в уран-графитовых системах и таким образом внес

свой вклад в создание атомной бомбы. Он также обдумал экспериментально

возникновение нейтронов при взаимодействиях легких атомных ядер, как и при

взаимодействиях между высокоскоростными нейтронами и различными ядрами.

В 1946 г. Ф. организовал лабораторию атомного ядра в Институте им.

Лебедева и стал ее руководителем. Будучи с 1940 г. профессором Московского

государственного университета, Ф. с 1946 по 1956 г. возглавлял лабораторию

радиоактивного излучения в Научно-исследовательском институте ядерной

физики при МГУ.

Год спустя под руководством Ф. была создана лаборатория нейтронной физики

в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне. Здесь в 1960 г. был

запущен импульсный реактор на быстрых нейтронах для спектроскопических

нейтронных исследований. В 1977 г. вошел в строй новый и более мощный

импульсный реактор.

Коллеги считали, что Ф. обладал глубиной и ясностью мышления,

способностью вскрывать существо дела самыми элементарными методами, а также

особой интуицией в отношении самых труднопостигаемых вопросов эксперимента

и теории. Его научные статьи чрезвычайно ценятся за ясность и логическую

четкость.

В 1937 г. Ф. женился на Элле Абрамовне Бейлихис, видном историке. Их

единственный ребенок, Александр, стал специалистом по нейтронной физике.

Ф. получил многочисленные награды Советского правительства, включая

Ленинскую премию, два ордена Ленина, орден Трудового Красного Знамени,

орден Октябрьской Революции, а также золотую медаль Вавилова Академии наук

СССР. Он был избран академиком АН СССР в 1968 г.

2.5. ЧЕРЕНКОВ, Павел

28 июля 1904 г. – 6 января 1990 г.

Нобелевская премия по физике, 1958 г.совместно с Ильей Франком и Игорем

Таммом

Русский физик Павел Алексеевич Черенков родился в Новой Чигле вблизи

Воронежа. Его родители Алексей и Мария Черенковы были крестьянами. Окончив

в 1928 г. физико-математический факультет Воронежского университета, он два

года работал учителем. В 1930 г. он стал аспирантом Института физики и

математики АН СССР в Ленинграде и получил кандидатскую степень в 1935 г.

Затем он стал научным сотрудником Физического института им. П.Н. Лебедева в

Москве, где и работал в дальнейшем.

В 1932 г. под руководством академика С.И. Вавилова Ч. начал исследовать

свет, возникающий при поглощении растворами излучения высокой энергии,

например излучения радиоактивных веществ. Ему удалось показать, что почти

во всех случаях свет вызывался известными причинами, такими, как

флуоресценция. При флуоресценции падающая энергия возбуждает атомы или

молекулы до более высоких энергетических состояний (согласно квантовой

механике, каждый атом или молекула обладает характерным множеством

дискретных энергетических уровней), из которых они быстро возвращаются на

более низкие энергетические уровни. Разность энергий более высокого и более

низкого состояний выделяется в виде единицы излучения – кванта, частота

которого пропорциональна энергии. Если частота принадлежит видимой области,

то излучение проявляется как свет. Поскольку разности энергетических

уровней атомов или молекул, через которые проходит возбужденное вещество,

возвращаясь в самое низкое энергетическое состояние (основное состояние),

обычно отличаются от энергии кванта падающего излучения, эмиссия из

поглощающего вещества имеет другую частоту, чем у порождающего ее

излучения. Обычно эти частоты ниже.

Однако Ч. обнаружил, что гамма-лучи (обладающие гораздо большей энергией

и, следовательно, частотой, чем рентгеновские лучи), испускаемые радием,

дают слабое голубое свечение в жидкости, которое не находило

удовлетворительного объяснения. Это свечение отмечали и другие. За десятки

лет до Ч. его наблюдали Мария и Пьер Кюри, исследуя радиоактивность, но

считалось, что это просто одно из многочисленных проявлений люминесценции.

Ч. действовал очень методично. Он пользовался дважды дистиллированной

водой, чтобы удалить все примеси, которые могли быть скрытыми источниками

флуоресценции. Он применял нагревание и добавлял химические вещества,

такие, как йодистый калий и нитрат серебра, которые уменьшали яркость и

изменяли другие характеристики обычной флуоресценции, всегда проделывая те

же опыты с контрольными растворами. Свет в контрольных растворах изменялся,

как обычно, но голубое свечение оставалось неизменным.

Исследование существенно осложнялось из-за того, что у Ч. не было

источников радиации высокой энергии и чувствительных детекторов, которые

позднее стали самым обычным оборудованием. Вместо этого ему пришлось

пользоваться слабыми естественными радиоактивными материалами для получения

гамма-лучей, которые давали едва заметное голубое свечение, а вместо

детектора полагаться на собственное зрение, обострявшееся с помощью долгого

пребывания в темноте. Тем не менее ему удалось убедительно показать, что

голубое свечение представляет собой нечто экстраординарное.

Значительным открытием была необычная поляризация свечения. Свет

представляет собой периодические колебания электрического и магнитного

полей, напряженность которых возрастает и убывает по абсолютной величине и

регулярно меняет направление в плоскости, перпендикулярной направлению

движения. Если направления полей ограничены особыми линиями в этой

плоскости, как в случае отражения от плоскости, то говорят, что свет

поляризован, но поляризация тем не менее перпендикулярна направлению

распространения. В частности, если поляризация имеет место при

флуоресценции, то свет, излучаемый возбужденным веществом, поляризуется под

прямым углом к падающему лучу. Ч. обнаружил, что голубое свечение

поляризовано параллельно, а не перпендикулярно направлению падающих гамма-

лучей. Исследования, проведенные в 1936 г., показали также, что голубое

свечение испускается не во всех направлениях, а распространяется вперед

относительно падающих гамма-лучей и образует световой конус, ось которого

совпадает с траекторией гамма-лучей. Это послужило ключевым фактором для

его коллег, Ильи Франка и Игоря Тамма, создавших теорию, которая дала

полное объяснение голубому свечению, ныне известному как излучение

Черенкова (Вавилова – Черенкова в Советском Союзе).

Согласно этой теории, гамма-квант поглощается электроном в жидкости, в

результате чего он вырывается из родительского атома. Подобное столкновение

было описано Артуром X. Комптоном и носит название эффекта Комптона.

Математическое описание такого эффекта очень похоже на описание соударений

бильярдных шаров. Если возбуждающий луч обладает достаточно большой

энергией, выбитый электрон вылетает с очень большой скоростью.

Замечательной идеей Франка и Тамма было то, что излучение Черенкова

возникает, когда электрон движется быстрее света. Других, по всей

видимости, удерживал от подобного предположения фундаментальный постулат

теории относительности Альберта Эйнштейна, согласно которому скорость

частицы не может превышать скорости света. Однако подобное ограничение

носит относительный характер и справедливо только для скорости света в

вакууме. В веществах, подобных жидкостям или стеклу, свет движется с

меньшей скоростью. В жидкостях электроны, выбитые из атомов, могут

двигаться быстрее света, если падающие гамма-лучи обладают достаточной

энергией.

Конус излучения Черенкова аналогичен волне, возникающей при движении

лодки со скоростью, превышающей скорость распространения волн в воде. Он

также аналогичен ударной волне, которая появляется при переходе самолетом

звукового барьера.

За эту работу Ч. получил степень доктора физико-математических наук в

1940 г. Вместе с Вавиловым, Таммом и Франком он получил Сталинскую

(впоследствии переименованную в Государственную) премию СССР в 1946 г.

В 1958 г. вместе с Таммом и Франком Ч. был награжден Нобелевской премией

по физике «за открытие и истолкование эффекта Черенкова». Манне Сигбан из

Шведской королевской академии наук в своей речи отметил, что «открытие

явления, ныне известного как эффект Черенкова, представляет собой

интересный пример того, как относительно простое физическое наблюдение при

правильном подходе может привести к важным открытиям и проложить новые пути

для дальнейших исследований».

Комментируя первое награждение советских ученых Нобелевской премией по

физике, газета «Нью-Йорк таймс» отметила, что оно свидетельствует о

«несомненном международном признании высокого качества экспериментальных и

теоретических исследований в области физики, проводимых в Советском Союзе».

Подобное признание носило иронический характер (по крайней мере отчасти),

поскольку во времена оригинальных исследований Ч. его примитивные методы

делали для многих физиков сомнительными результаты исследований.

В течение ряда лет теория излучения Черенкова, сохраняя фундаментальное

значение, не имела практических приложений. Однако впоследствии были

созданы счетчики Черенкова (основанные на обнаружении излучения Черенкова)

для измерения скорости единичных высокоскоростных частиц, вроде тех, что

образуются в ускорителях или в космических лучах. Определение скорости

основано на том, что чем быстрее движется частица, тем уже становится конус

Черенкова. Поскольку излучение Черенкова обладает энергетическим порогом и

представляет собой короткие импульсы, с помощью счетчика Черенкова можно

отсеивать частицы с низкими скоростями и различать две частицы, поступающие

почти одновременно. При регистрации излучения поступает также информация о

массе и энергии частицы. Этот тип детектора использовался при открытии

антипротона (отрицательного ядра водорода) Оуэном Чемберленом и Эмилио

Сегре в 1955 г.; позднее он применялся в счетчике космических лучей на

советском искусственном спутнике «Спутник-111».

Многие годы Ч. был начальником отдела Института им. Лебедева, после войны

он занялся изучением космических лучей и принимал участие в создании

электронных ускорителей. За участие в разработке и создании в Институте им.

Лебедева синхротрона он был награжден второй Сталинской (Государственной)

премией в 1951 г. В 1959 г. Ч. стал руководителем институтской лаборатории

фотомезонных процессов, где проводил исследования по фотораспаду гелия и

других легких ядер и фотопродукции внутриатомных частиц.

Помимо научно-исследовательской деятельности, Ч., начиная с 1944 г.,

много лет преподавал физику в Московском энергетическом институте, а

позднее в Московском инженерно-физическом институте. Он стал профессором

физики в 1953 г.

В 1930 г. Ч. женился на Марии Путинцевой, дочери профессора русской

литературы. У них было двое детей.

Черенков был избран членом-корреспондентом АН СССР в 1964 г. и академиком

в 1970 г. Он трижды лауреат Государственной премии СССР, имел два ордена

Ленина, два ордена Трудового Красного Знамени и другие государственные

награды.

2.6. ЛАНДАУ, Лев

22 января 1908 г. – 1 апреля 1968 г.

Нобелевская премия по физике, 1962 г.

Советский физик Лев Давидович Ландау родился в семье Давида и Любови

Ландау в Баку. Его отец был известным инженером-нефтяником, работавшим на

местных нефтепромыслах, а мать – врачом. Она занималась физиологическими

исследованиями. Старшая сестра Л. стала инженером-химиком. Хотя учился Л. в

средней школе и блестяще окончил ее, когда ему было тринадцать лет,

родители сочли, что он слишком молод для высшего учебного заведения, и

послали его на год в Бакинский экономический техникум. В 1922 г. Л.

поступил в Бакинский университет, где изучал физику и химию; через два года

он перевелся на физический факультет Ленинградского университета. Ко

времени, когда ему исполнилось 19 лет, Л. успел опубликовать четыре научные

работы. В одной из них впервые использовалась матрица плотности – ныне

широко применяемое математическое выражение для описания квантовых

энергетических состояний. По окончании университета в 1927 г. Л. поступил в

аспирантуру Ленинградского физико-технического института, где он работал

над магнитной теорией электрона и квантовой электродинамикой.

С 1929 по 1931 г. Л. находился в научной командировке в Германии,

Швейцарии, Англии, Нидерландах и Дании. Там он встречался с

основоположниками новой тогда квантовой механики, в том числе с Вернером

Гейзенбергом, Вольфгангом Паули и Нильсом Бором. На всю жизнь Л. сохранил

дружеские чувства к Нильсу Бору, оказавшему на него особенно сильное

влияние. Находясь за границей, Л. провел важные исследования магнитных

свойств свободных электронов и совместно с Рональдом Ф. Пайерлсом – по

релятивистской квантовой механике. Эти работы выдвинули его в число ведущих

физиков-теоретиков. Он научился обращаться со сложными теоретическими

системами, и это умение пригодилось ему впоследствии, когда он приступил к

исследованиям по физике низких температур.

В 1931 г. Л. возвратился в Ленинград, но вскоре переехал в Харьков,

бывший тогда столицей Украины. Там Л. становится руководителем

теоретического отдела Украинского физико-технического института.

Одновременно он заведует кафедрами теоретической физики в Харьковском

инженерно-механическом институте и в Харьковском университете. Академия

наук СССР присудила ему в 1934 г. ученую степень доктора физико-

математических наук без защиты диссертации, а в следующем году он получает

звание профессора. В Харькове Л. публикует работы на такие различные темы,

как происхождение энергии звезд, дисперсия звука, передача энергии при

столкновениях, рассеяние света, магнитные свойства материалов,

сверхпроводимость, фазовые переходы веществ из одной формы в другую и

движение потоков электрически заряженных частиц. Это создает ему репутацию

необычайно разностороннего теоретика. Работы Л. по электрически

взаимодействующим частицам оказались полезными впоследствии, когда возникла

физика плазмы – горячих, электрически заряженных газов. Заимствуя понятия

из термодинамики, он высказал немало новаторских идей относительно

низкотемпературных систем. Работы Л. объединяет одна характерная черта –

виртуозное применение математического аппарата для решения сложных задач.

Л. внес большой вклад в квантовую теорию и в исследования природы и

взаимодействия элементарных частиц.

Необычайно широкий диапазон его исследований, охватывающих почти все

области теоретической физики, привлек в Харьков многих высокоодаренных

студентов и молодых ученых, в том числе Евгения Михайловича Лифшица,

ставшего не только ближайшим сотрудником Л., но и его личным другом.

Выросшая вокруг Л. школа превратила Харьков в ведущий центр советской

теоретической физики. Убежденный в необходимости основательной подготовки

теоретика во всех областях физики, Л. разработал жесткую программу

подготовки, которую он назвал «теоретическим минимумом». Требования,

предъявляемые к претендентам на право участвовать в работе руководимого им

семинара, были настолько высоки, что за тридцать лет, несмотря на

неиссякающий поток желающих, экзамены по «теорминимуму» сдало лишь сорок

человек. Тем, кто преодолел экзамены, Л. щедро уделял свое время,

предоставлял им свободу в выборе предмета исследования. Со своими учениками

и близкими сотрудниками, которые с любовью называли его Дау, он поддерживал

дружеские отношения. В помощь своим ученикам Л. в 1935 г. создал

исчерпывающий курс теоретической физики, опубликованный им и Е.М. Лифшицем

в виде серии учебников, содержание которых авторы пересматривали и

обновляли в течение последующих двадцати лет. Эти учебники, переведенные на

многие языки, во всем мире заслуженно считаются классическими. За создание

этого курса авторы в 1962 г. были удостоены Ленинской премии.

В 1937 г. Л. по приглашению Петра Капицы возглавил отдел теоретической

физики во вновь созданном Институте физических проблем в Москве. Но на

следующий год Л. был арестован по ложному обвинению в шпионаже в пользу

Германии. Только вмешательство Капицы, обратившегося непосредственно в

Кремль, позволило добиться освобождения Л.

Когда Л. переехал из Харькова в Москву, эксперименты Капицы с жидким

гелием шли полным ходом. Газообразный гелий переходит в жидкое состояние

при охлаждении до температуры ниже 4,2К (в градусах Кельвина измеряется

абсолютная температура, отсчитываемая от абсолютного нуля, или от

температуры – 273,18°С). В этом состоянии гелий называется гелием-1. При

охлаждении до температуры ниже 2,17К гелий переходит в жидкость, называемую

гелием-2 и обладающую необычными свойствами. Гелий-2 протекает сквозь

мельчайшие отверстия с такой легкостью, как будто у него полностью

отсутствует вязкость. Он поднимается по стенке сосуда, как будто на него не

действует сила тяжести, и обладает теплопроводностью, в сотни раз

превышающей теплопроводность меди. Капица назвал гелий-2 сверхтекучей

жидкостью. Но при проверке стандартными методами, например измерением

сопротивления крутильным колебаниям диска с заданной частотой, выяснилось,

что гелий-2 не обладает нулевой вязкостью. Ученые высказали предположение о

том, что необычное поведение гелия-2 обусловлено эффектами, относящимися к

области квантовой теории, а не классической физики, которые проявляются

только при низких температурах и обычно наблюдаются в твердых телах, так

как большинство веществ при этих условиях замерзают. Гелий является

исключением – если его не подвергать очень высокому давлению, остается

жидким вплоть до абсолютного нуля. В 1938 г. Ласло Тисса предположил, что

жидкий гелий в действительности представляет собой смесь двух форм: гелия-1

(нормальной жидкости) и гелия-2 (сверхтекучей жидкости). Когда температура

падает почти до абсолютного нуля, доминирующей компонентой становится гелий-

2. Эта гипотеза позволила объяснить, почему при разных условиях наблюдается

различная вязкость.

Л. объяснил сверхтекучесть, используя принципиально новый математический

аппарат. В то время как другие исследователи применяли квантовую механику к

поведению отдельных атомов, он рассмотрел квантовые состояния объема

жидкости почти так же, как если бы та была твердым телом. Л. выдвинул

гипотезу о существовании двух компонент движения, или возбуждения: фононов,

описывающих относительно нормальное прямолинейное распространение звуковых

волн при малых значениях импульса и энергии, и ротонов, описывающих

вращательное движение, т.е. более сложное проявление возбуждений при более

высоких значениях импульса и энергии. Наблюдаемые явления обусловлены

вкладами фононов и ротонов и их взаимодействием. Жидкий гелий, утверждал

Л., можно рассматривать как «нормальную» компоненту, погруженную в

сверхтекучий «фон». В эксперименте по истечению жидкого гелия через узкую

щель сверхтекучая компонента течет, в то время как фононы и ротоны

сталкиваются со стенками, которые удерживают их. В эксперименте с

крутильными колебаниями диска сверхтекучая компонента оказывает

пренебрежимо слабое воздействие, тогда как фононы и ротоны сталкиваются с

диском и замедляют его движение. Отношение концентраций нормальной и

сверхтекучей компонент зависит от температуры. Ротоны доминируют при

температуре выше 1К, фононы – ниже 0,6 К.

Теория Л. и ее последующие усовершенствования позволили не только

объяснить наблюдаемые явления, но и предсказать другие необычные явления,

например распространение двух различных волн, называемых первым и вторым

звуком и обладающих различными свойствами. Первый звук – это обычные

звуковые волны, второй – температурная волна. Теория Л. помогла существенно

продвинуться в понимании природы сверхпроводимости..

Во время второй мировой войны Л. занимался исследованием горения и

взрывов, в особенности ударных волн на больших расстояниях от источника.

После окончания войны и до 1962 г. он работал над решением различных задач,

в том числе изучал редкий изотоп гелия с атомной массой 3 (вместо обычной

массы 4), и предсказал для него существование нового типа распространения

волн, который был назван им «нулевым звуком». Заметим, что скорость второго

звука в смеси двух изотопов при температуре абсолютного нуля стремится к

нулю. Л. принимал участие и в создании атомной бомбы в Советском Союзе.

Незадолго до того, как ему исполнилось пятьдесят четыре года, Л. попал в

автокатастрофу и получил тяжелые повреждения. Врачи из Канады, Франции,

Чехословакии и Советского Союза боролись за его жизнь. В течение шести

недель он оставался без сознания и почти три месяца не узнавал даже своих

близких. По состоянию здоровья Л. не мог отправиться в Стокгольм для

получения Нобелевской премии 1962 г., которой он был удостоен «за

основополагающие теории конденсированной материи, в особенности жидкого

гелия». Премия была вручена ему в Москве послом Швеции в Советском Союзе.

Л. прожил еще шесть лет, но так и не смог вернуться к работе. Он умер в

Москве от осложнений, возникших от полученных им травм.

В 1937 г. Л. женился на Конкордии Дробанцевой, инженере-технологе пищевой

промышленности из Харькова. У них родился сын, работавший впоследствии

физиком-экспериментатором в том же Институте физических проблем, в котором

так много сделал его отец. Л. не терпел напыщенности, и его острая, часто

остроумная критика иногда создавала впечатление о нем как о человеке

холодном и даже неприятном. Но П. Капица, хорошо знавший Л., отзывался о

нем как о «человеке очень добром и отзывчивом, всегда готовом прийти на

помощь несправедливо обиженным людям». После смерти Л. Е.М. Лифшиц заметил

однажды, что Л. «всегда стремился упростить сложные вопросы и показать как

можно более ясно фундаментальную простоту, присущую основным явлениям,

описываемым законами природы. Особенно он гордился, когда ему удавалось,

как он говорил, «тривиализовать» задачу»

Помимо Нобелевской и Ленинской премий Л. были присуждены три

Государственные премии СССР. Ему было присвоено звание Героя

Социалистического Труда. В 1946 г. он был избран в Академию наук СССР.

Своим членом его избрали академии наук Дании, Нидерландов и США,

Американская академия наук и искусств. Французское физическое общество,

Лондонское физическое общество и Лондонское королевское общество.

2.7. КАПИЦА, Петр

9 июля 1894 г. – 8 апреля 1984 г.

Нобелевская премия по физике, 1978 г.совместно с Арно А. Пензиасом и

Робертом В. Вильсоном

Советский физик Петр Леонидович Капица родился в Кронштадте военно-

морской крепости, расположенной на острове в Финском заливе неподалеку от

Санкт-Петербурга, где служил его отец Леонид Петрович Капица, генерал-

лейтенант инженерного корпуса. Мать К. Ольга Иеронимовна Капица

(Стебницкая) была известным педагогом и собирательницей фольклора. По

окончании гимназии в Кронштадте К. поступил на факультет инженеров-

электриков Петербургского политехнического института, который окончил в

1918 г. Следующие три года он преподавал в том же институте. Под

руководством А.Ф. Иоффе, первым в России приступившего к исследованиям в

области атомной физики, К. вместе со своим однокурсником Николаем Семеновым

разработал метод измерения магнитного момента атома в неоднородном

магнитном поле, который в 1921 г. был усовершенствован Отто Штерном.

Студенческие годы и начало преподавательской работы К. пришлись на

Октябрьскую революцию и гражданскую войну. Это было время бедствий, голода

и эпидемий. Во время одной из таких эпидемий погибла молодая жена К. –

Надежда Черносвитова, с которой они поженились в 1916 г., и двое их

маленьких детей. Иоффе настаивал на том, что К. необходимо отправиться за

границу, но революционное правительство не давало на это разрешения, пока в

дело не вмешался Максим Горький, самый влиятельный в ту пору русский

писатель. В 1921 г. К. позволили выехать в Англию, где он стал сотрудником

Эрнеста Резерфорда, работавшего в Кавендишской лаборатории Кембриджского

университета. К. быстро завоевал уважение Резерфорда и стал его другом.

Первые исследования, проведенные К. в Кембридже, были посвящены

отклонению испускаемых радиоактивными ядрами альфа- и бета-частиц в

магнитном поле. Эксперименты подтолкнули его к созданию мощных

электромагнитов. Разряжая электрическую батарею через небольшую катушку из

медной проволоки (при этом происходило короткое замыкание), К. удалось

получить магнитные поля, в 6...7 раз превосходившие все прежние. Разряд не

приводил к перегреву или механическому разрушению прибора, т.к.

продолжительность его составляла всего лишь около 0,01 секунды.

Создание уникального оборудования для измерения температурных эффектов,

связанных с влиянием сильных магнитных полей на свойства вещества, например

на магнитное сопротивление, привело К. к изучению проблем физики низких

температур. Чтобы достичь таких температур, необходимо было располагать

большим количеством сжиженных газов. Разрабатывая принципиально новые

холодильные машины и установки, К. использовал весь свой недюжинный талант

физика и инженера. Вершиной его творчества в этой области явилось создание

в 1934 г. необычайно производительной установки для сжижения гелия, который

кипит (переходит из жидкого состояния в газообразное) или сжижается

(переходит из газообразного состояния в жидкое) при температуре около 4,3К.

Сжижение этого газа считалось наиболее трудным. Впервые жидкий гелий был

получен в 1908 г. голландским физиком Хайке Каммерлинг-Оннесом. Но

установка К. была способна производить 2 л жидкого гелия в час, тогда как

по методу Каммерлинг-Оннеса на получение небольшого его количества с

примесями требовалось несколько дней. В установке К. гелий подвергается

быстрому расширению и охлаждается прежде, чем тепло окружающей среды

успевает согреть его; затем расширенный гелий поступает в машину для

дальнейшей обработки. К. удалось преодолеть и проблему замерзания смазки

движущихся частей при низких температурах, использовав для этих целей сам

жидкий гелий.

В Кембридже научный авторитет К. быстро рос. Он успешно продвигался по

ступеням академической иерархии. В 1923 г. К. стал доктором наук и получил

престижную стипендию Джеймса Клерка Максвелла. В 1924 г. он был назначен

заместителем директора Кавендишской лаборатории по магнитным исследованиям,

а в 1925 г. стал членом Тринити-колледжа. В 1928 г. Академия наук СССР

присвоила К. ученую степень доктора физико-математических наук и в 1929 г.

избрала его своим членом-корреспондентом. В следующем году К. становится

профессором-исследователем Лондонского королевского общества. По настоянию

Резерфорда Королевское общество строит специально для К. новую лабораторию.

Она была названа лабораторией Монда в честь химика и промышленника

германского происхождения Людвига Монда, на средства которого, оставленные

по завещанию Лондонскому королевскому обществу, была построена. Открытие

лаборатории состоялось в 1934 г. Ее первым директором стал К. Но ему было

суждено там проработать всего лишь один год.

Отношения между К. и советским правительством всегда были довольно

загадочными и непонятными. За время своего тринадцатилетнего пребывания в

Англии К. несколько раз возвращался в Советский Союз вместе со своей второй

женой, урожденной Анной Алексеевной Крыловой, чтобы прочитать лекции,

навестить мать и провести каникулы на каком-нибудь русском курорте.

Советские официальные лица неоднократно обращались к нему с просьбой

остаться на постоянное жительство в СССР. К. относился с интересом к таким

предложениям, но выставлял определенные условия, в частности свободу

поездок на Запад, из-за чего решение вопроса откладывалось. В конце лета

1934 г. К. вместе с женой в очередной раз приехали в Советский Союз, но,

когда супруги приготовились вернуться в Англию, оказалось, что их выездные

визы аннулированы. После яростной, но бесполезной стычки с официальными

лицами в Москве К. был вынужден остаться на родине, а его жене было

разрешено вернуться в Англию к детям. Несколько позднее Анна Алексеевна

присоединилась к мужу в Москве, а вслед за ней приехали и дети. Резерфорд и

другие друзья К. обращались к советскому правительству с просьбой разрешить

ему выезд для продолжения работы в Англии, но тщетно.

В 1935 г. К. предложили стать директором вновь созданного Института

физических проблем Академии наук СССР, но прежде, чем дать согласие, К.

почти год отказывался от предлагаемого поста. Резерфорд, смирившись с

потерей своего выдающегося сотрудника, позволил советским властям купить

оборудование лаборатории Монда и отправить его морским путем в СССР.

Переговоры, перевоз оборудования и монтаж его в Институте физических

проблем заняли несколько лет.

К. возобновил свои исследования по физике низких температур, в том числе

свойств жидкого гелия. Он проектировал установки для сжижения других газов.

В 1938 г. К. усовершенствовал небольшую турбину, очень эффективно сжижавшую

воздух. Ему удалось обнаружить необычайное уменьшение вязкости жидкого

гелия при охлаждении до температуры ниже 2,17К, при которой он переходит в

форму, называемую гелием-2. Утрата вязкости позволяет ему беспрепятственно

вытекать через мельчайшие отверстия и даже взбираться по стенкам

контейнера, как бы «не чувствуя» действия силы тяжести. Отсутствие вязкости

сопровождается также увеличением теплопроводности. К. назвал открытое им

новое явление сверхтекучестью.

Двое из бывших коллег К. по Кавендишской лаборатории, Дж.Ф. Аллен

А.Д. Мизенер, выполнили аналогичные исследования. Все трое опубликовали

статьи с изложением полученных результатов в одном и том же выпуске

британского журнала «Нейче». Статья К. 1938 г. и две другие работы,

опубликованные в 1942 г., принадлежат к числу его наиболее важных работ по

физике низких температур. К., обладавший необычайно высоким авторитетом,

смело отстаивал свои взгляды даже во время чисток, проводимых Сталиным в

конце 30-х гг. Когда в 1938 г. по обвинению в шпионаже в пользу нацистской

Германии был арестован сотрудник Института физических проблем Лев Ландау,

К. добился его освобождения. Для этого ему пришлось отправиться в Кремль и

пригрозить в случае отказа подать в отставку с поста директора института.

В своих докладах правительственным уполномоченным К. открыто критиковал

те решения, которые считал неправильными. О деятельности К. во время второй

мировой войны на Западе известно мало. В октябре 1941 г. он привлек

внимание общественности, выступив с предупреждением о возможности создания

атомной бомбы. Возможно, он был первым из физиков, кто сделал подобное

заявление. Впоследствии К. отрицал свое участие в работах по созданию как

атомной, так и водородной бомб. Имеются вполне убедительные данные,

подтверждающие его заявления. Неясно, однако, был ли его отказ продиктован

моральными соображениями или расхождением во мнении относительно того, в

какой мере предполагавшаяся часть проекта согласуется с традициями и

возможностями Института физических проблем.

Известно, что в 1945 г., когда американцы сбросили атомную бомбу на

Хиросиму, а в Советском Союзе с еще большей энергией развернулись работы по

созданию ядерного оружия, К. был смещен с поста директора института и в

течение восьми лет находился под домашним арестом. Он был лишен возможности

общаться со своими коллегами из других научно-исследовательских институтов.

У себя на даче он оборудовал небольшую лабораторию и продолжал заниматься

исследованиями. Через два года после смерти Сталина, в 1955 г., он был

восстановлен на посту директора Института физических проблем и пребывал в

этой должности до конца жизни.

Послевоенные научные работы К. охватывают самые различные области физики,

включая гидродинамику тонких слоев жидкости и природу шаровой молнии, но

Страницы: 1, 2, 3