Русская и советская физика

В результате изучения данной главы студент должен:

знать

• • исторические этапы развития отечественной физики (ее магистральных направлений) дореволюционного и послереволюционного периодов;
• • основополагающие работы отечественных ученых в области теоретической физики (Я. И. Френкеля, А. А. Фридмана, Л. Д. Ландау, И. Е. Тамма), физики низких температур (П. Л. Капицы, Л. Д. Ландау), радиофизики (Л. Д. Мандельштама, Н. Д. Папалекси, А. А. Андронова), атомной и ядерной физики (И. Е. Курчатова);

уметь

• • анализировать признаки, характеризующие состояние российской науки в XIX — начале XX в., после Октябрьской революции, в период соперничества СССР и США, в современный период ее развития;
• • обсуждать роль А. Ф. Иоффе в становлении отечественной физики, место цикла учебных пособий Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшица и др. «Курс теоретической физики» в истории науки, работы отечественных ученых-физиков — лауреатов Нобелевской премии;

владеть

• навыками оперирования основными понятиями, связанными с историей развития отечественной физики (ее магистральных направлений).

Ключевые термины: дореволюционная и послереволюционная отечественная наука, научная школа Иоффе, отечественная теоретическая физика, теория нестационарной Вселенной Фридмана, научные школы Ландау, Тамма, Мандельштама, отечественная атомная и ядерная физика, отечественные ученые-физики — лауреаты Нобелевской премии, современное состояние российской физики.

В сведениях о научных открытиях в предыдущих главах упоминалось о том, что ряд из них был сделан в России. Мы говорили также об ученых — авторах этих открытий: Д. Бернулли, Л. Эйлере, М. В. Ломоносове, П. Н. Лебедеве, А. Г. Столетове, Н. А. Умове, Д. И. Менделееве и некоторых других. Русская физика внесла весомый вклад в развитие мировой науки. Однако основные идеи и ключевые эксперименты принадлежали, как правило, ученым других стран. Почему же так происходило? Ответ может быть сформулирован достаточно просто: в XIX — начале XX в. Россия была страной, наука которой имела несомненные провинциальные черты. Признаки, характеризующие науку дореволюционной России, можно свести к следующим.

• 1. Развивались не все направления физики, а лишь отдельные, достаточно узкие.
• 2. Научные исследования велись только на университетских кафедрах; отсутствовали специальные научные учреждения, которые к этому времени уже существовали во всех передовых странах.
• 3. Финансовые вложения в науку были мизерными как со стороны государства, так и от частных лиц.
• 4. Было мало научных школ, возглавляемых крупными учеными-организаторами.
• 5. Научный уровень системы университетского и технического образования был недостаточен для подготовки ученых высокого уровня.

Рассмотрим эти признаки подробнее. В XIX в. наука была в достаточной мере интернациональна, хотя формально и делилась на французскую, английскую, немецкую, русскую и т. д. К началу XX в. национальные черты в науке, особенно в той ее части, которая связана с техникой, усиливаются. Так происходит потому, что наука все больше милитаризируется, а межгосударственное соперничество ускоряет этот процесс. Естественно, область научных исследований, которой занимается каждая из стран, расширяется, приводя к положению, когда в данном государстве занимаются наукой «по всему фронту». Конечно, в полной мере это проявилось только после Второй мировой войны, когда обе сверхдержавы — США и СССР — вели такие исследования, другие же страны в этом отношении значительно отставали. Выступая в конце 2001 г. в штаб-квартире НАТО в Брюсселе, выдающийся советский и российский физик, Нобелевский лауреат Ж. И. Алферов сослался на результаты «круглого стола» в Швеции, проведенного в честь юбилея Нобелевских премий. Там было сказано, что прогресс науки в XX в. определяло соревнование между США и СССР, которое стимулировало развитие обеих стран.

Как оценивать состояние науки в это время? Условия для ее развития в США и СССР были различными. В первой из сверхдержав научный уровень ученых был, конечно, существенно более высоким. Научный контингент формировался из лучших умов разных стран Европы, Азии, Латинской Америки (только около 20% физиков — коренные американцы). В СССР приходилось обходиться собственными силами. В то же время организация науки в СССР была очень высокой, особенно в ведущих областях физики и других ключевых наук, что позволяло советским ученым успешно конкурировать фактически с мировой наукой. В частности, это было обусловлено эффективной деятельностью научных физических школ.

В дореволюционной России основные научные исследования были сосредоточены на университетских кафедрах, да и то не во всех университетах, а только в ведущих: Московском, Санкт-Петербургском, Казанском, Киевском, Варшавском, Харьковском, Новороссийском и некоторых других. Научные институты, которые к тому времени в разных формах функционировали в Германии, Англии, США и Франции, в России отсутствовали. В результате такой политики в стране появлялись лишь отдельные ученые высокого уровня, чаще всего в математике, химии. В то же время в физике их было меньше: физика требует коллективного труда, а это сложно осуществить без специальных научных учреждений.

Государственные капиталовложения в науку в дореволюционной России были крайне малыми. И, что отличало нас от других стран, незначительным было также участие частного капитала в развитии науки, тогда как на Западе крупнейшие фирмы активно вкладывали денежные средства в научные исследования. В России же лишь предприниматели из семьи Нобелей материально поддерживали науку.

Развитие научных исследований невозможно без крупных ученых-организаторов, глав научных школ, какими на Западе были Л. Кундт, Дж. Дж. Томсон, Э. Резерфорд, Н. Бор, А. Зоммерфелъд, Э. Ферми и еще многие другие. В России таких школ почти не было. Только общепризнанная научная школа П. Н. Лебедева в Москве, откуда вышли П. П. Лазарев, С. И. Вавилов, А. Р. Колли, В. К. Аркадьев, Н. А. Капцов, Т. П. Кравец и другие, могла в какой-то мере соперничать с зарубежными школами.

Университетское образование в дореволюционной России по своему уровню было недостаточно высоким для того, чтобы обеспечить постоянный приток в науку талантливых ученых. Поэтому люди, которые хотели заниматься физикой как профессией, уезжали учиться за границу, часто оставаясь там работать на долгие годы. Именно это привело к отсутствию в России научных школ и невысоким темпам развития физики.

После Октябрьской революции развитие науки в России пошло по иному пути. Она достигла мирового уровня, во всяком случае это можно сказать о физике. История советской физики — очень обширная тема. В данном учебнике она будет рассмотрена не полностью, а лишь фрагментарно, во взаимосвязи с деятельностью отдельных наиболее выдающихся отечественных ученых-физиков.

Несмотря на разруху, в которой страна находилась в первые послереволюционные годы, наука в это время не замерла. Более того, именно в это время наметились основные направления, по которым должно пойти развитие новой физики в России. К ним относились создание крупных научных учреждений, обновление высшей школы и укрепление ее связи с наукой, создание государственных и общественных объединений ученых.

Первые научные учреждения начали организовываться уже в 1918 г. В декабре этого года по инициативе М. А. БончБруевича и В. М. Лещинского была основана Нижегородская радиолаборатория — первый советский научно-исследовательский центр в области радиотехники — нынешний Научно-исследовательский радиофизический институт (НИРФИ). В том же году в Петрограде начал функционировать Рентгенорадиологический институт — будущий Физикотехнический институт (ФТИ), организованный А. Ф. Иоффе и М. И. Неменовым, а также Государственный оптический институт (ГОИ) под руководством Д. С. Рождественского. В Москве на базе университета Шанявского П. П. Лазарев организует Институт биофизики. Появляется также Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ), возглавляемый Н. Е. Жуковским. Эти институты сыграли выдающуюся роль в становлении советской физики. Далее по их образу и подобию стали открываться институты и в других городах страны. Таким образом, с первых дней своего существования советская наука пошла по пути организации крупных научных учреждений с серьезной материальной базой.

В феврале 1919 г. в Петрограде состоялся съезд русских физиков, создавший комиссию, которая должна была выработать положение о новой Российской Ассоциации физиков. Ассоциация начала регулярно (до 1930 г.) созывать съезды русских физиков.

Первый съезд прошел в сентябре 1920 г. в Москве, второй — в 1921 г. в Киеве, третий — в 1922 г. в Нижнем Новгороде, четвертый, на котором в качестве гостя присутствовал П. Эренфест, — в 1924 г. в Ленинграде. Этот съезд завершил организационный период формирования советской физики. Ее становление происходило очень сложно: сказывались разруха, материальные трудности, блокада, отсутствие необходимой информации. Однако, как пишут очевидцы, в среде научных работников царил высокий энтузиазм, позволивший довольно быстро ликвидировать разрыв между российской и мировой наукой.

Главную роль в становлении советской физики сыграл Абрам Федорович Иоффе (1880—1960), «папа» Иоффе, как называли его в течение более чем 40 лет (рис. 20.1). Он родился в г. Ромны (Украина), окончил Петербургский технологический институт и в 1902 г. и уехал работать к В. К. Рентгену в Мюнхен. Возвратившись в 1906 г., Иоффе работал в том же технологическом институте.

После революции по его инициативе был создан физико-технический отдел в Рентгенорадиологическом институте, а затем физико-механический факультет (физмех) в Политехническом институте. Таким образом, с самого начала Иоффе был принят курс на создание учебных заведений нового типа, способных готовить ученых для крупных научных институтов. В дальнейшем на базе этих двух учреждений была создана целая сеть физических научно-исследовательских институтов в Харькове, Днепропетровске, Томске и др. Вклад Иоффе в развитие физики в нашей стране невозможно переоценить. Во многом благодаря его трудам и авторитету, которым он пользовался как в научном мире, так у общественности, физика в СССР перестала быть провинциальной наукой.

Рис. 20.1. Портрет Абрама Федоровича Иоффе

Абрам Федорович Иоффе был удивительным человеком, в котором сочетались природная мягкость и требовательность организатора. Многие из его учеников обязаны ему не только своими научными успехами, но иной раз просто жизнью. Школу Иоффе можно сравнить с самыми знаменитыми научными школами в области физики. К ней принадлежат выдающиеся ученые: А. П. Александров, А. И. Алиханов, Л. А. Арцимович, П. Л. Капица, И. В. Курчатов, Н. Н. Семенов, Ю. Б. Харитон, Я. И. Френкель, И. К. Кикоин, К. Д. Синельников и др. Среди его учеников 3 Нобелевских лауреата. Но главное наследие ученого — советская, а теперь российская наука, которая, несмотря на многочисленные трудности сейчас и в прошлом, по-прежнему является одной из ведущих в мире.

Рассмотрим теперь историю развития тех областей советской физики, где ее успехи были наиболее впечатляющими. Начнем этот обзор с теоретической физики, в которую советская наука внесла значительный вклад.

В области теоретической физики, прежде всего, следует отметить работы Якова Ильича Френкеля (1894—1952). Он работал все в тех же Физтехе и Политехе, где 30 лет возглавлял кафедру физики. Его работы относятся к физике твердого тела, магнетизму, ядерной физике. Независимо от Н. Бора Френкель разработал капельную модель ядра, объяснил природу ферромагнетизма, независимо от Гейзенберга построил коллективную модель ферромагнетика, разработал теорию движения атомов и ионов в кристаллах, ввел понятие дырочной проводимости. Ученый выполнил ряд работ в астрофизике, биофизике и других областях науки. Френкель был известным педагогом, автором первых отечественных курсов теоретической физики.

Александр Александрович Фридман (1888—1925) по специальности метеоролог, директор главной геофизической обсерватории (ГГО), автор теории нестационарной (расширяющейся) Вселенной, созданной им в 1922—1924 гг. на основе нестационарных решений гравитационного уравнения Эйнштейна. Фридман сделал два очень простых предположения. Во-первых, Вселенная выглядит одинаково, в каком бы направлении мы ее ни наблюдали. Во-вторых, это утверждение должно оставаться неизменным в любом месте Вселенной. Отсюда ученый сделал вывод, что она не может быть статичной. Долгое время модель Фридмана казалась только грубым приближением к реальной Вселенной. Однако после открытия в 1929 г. Эдвином Пауэллом Хабблом (1889—1953) расширения Вселенной и особенно после наблюдений А. А. Пензиаса и Р. В. Вильсона, открывших реликтовое излучение (см. гл. 22), стало ясно, что она, эта модель, как выразился крупнейший современный физик-теоретик Стивен Хокинг (р. 1941), «дает удивительно точное описание нашей Вселенной». Долгое время модель Фридмана оставалась неизвестной на Западе. Однако теперь его заслуги в полной мере оценены мировой научной общественностью.

Лев Давидович Ландау (1908—1968) — выдающийся ученый современности, физик-теоретик, на несколько десятилетий определивший облик советской теоретической физики, бывший ее символом.

В 19 лет Ландау окончил Ленинградский университет, совершенствуясь как физик-теоретик, он работал в Ленинграде, в Дании у Н. Бора, в Швеции, в Англии у Э. Резерфорда. Вернувшись на Родину, Ландау некоторое время работал в харьковском Физтехе и преподавал в Харьковском университете. С 1937 г. до конца жизни он заведовал теоретическим отделом в Институте физических проблем — знаменитом «капичнике». В 1962 г. ученый попал в автомобильную катастрофу, после которой выжил только благодаря помощи и поддержке мирового научного сообщества, но уже не мог эффективно работать. Умер Лев Давидович в 1968 г. В год катастрофы, случившейся с ним, он стал лауреатом Нобелевской премии по физике.

ззз Только краткая характеристика научных достижений Ландау занимает в справочниках несколько страниц убористого текста. Проанализируем его основные достижения.

Ландау совместно с Исааком Яковлевичем Померанчуком (1913—1966), Исааком Марковичем Калашниковым (р. 1919) и Алексеем Алексеевичем Абрикосовым (р. 1928) обнаружил несостоятельность современной квантовой теории поля. В результате их исследований появился фундаментальный закон сохранения комбинированной четности и теория двухкомпонентного нейтрино. И это только одна из работ Ландау в области теории элементарных частиц.

Одним из «любимых» научных направлений Ландау были фазовые переходы. Он детально изучил фазовые переходы второго рода и в 1937 г. создал их исчерпывающую теорию. На этой основе была разработана феноменологическая теория сверхпроводимости II рода, которая по начальным буквам фамилий авторов (Гинзбург, Ландау, Абрикосов, Горьков) называется ГЛАГ, а также исследована природа промежуточного состояния сверхпроводников. В 1940—1941 гг. Ландау создал теорию сверхтекучести жидкого гелия-Н, объяснявшую известные к тому времени эффекты, связанные с квантовой механикой, и предсказал ряд новых, еще не открытых на тот период времени (например, второй звук). Это исследование положило начало новому направлению в физике — теории квантовых жидкостей. Наряду с Бозежидкостью, которой является сверхтекучий гелий, ученый в 1956 г. развил теорию Ферми-жидкости.

В 1930 г. Ландау вместе с Евгением Михайловичем Лифшицем (1915—1985) разработали теорию диамагнетизма (диамагнетизм Ландау), а в 1935 г. — теорию доменной структуры ферромагнетиков. Весомы работы Ландау в области космических лучей, гидродинамики, физической кинетики, физики плазмы.

Как уже говорилось, Ландау был своеобразным символом советской физики 1930—1960 гг. Наиболее ярко это выразилось в написании им совместно с Е. М. Лифшицем знаменитого многотомного «Курса теоретической физики», который и сейчас является лучшим в мире учебником теоретической физики. Курс стал основой подготовки высококвалифицированных физиковтеоретиков во всем мире и в первую очередь в СССР. Ему мы во многом обязаны достижениями отечественной теоретической физики.

Лев Давидович Ландау был не только великим физиком, но и выдающимся учителем. Школа Ландау — одно из самых замечательных явлений в физике XX в., а разработанная им система подготовки и проверки знаний будущих физиков-теоретиков (широко известный минимум Ландау), вообще не имеет аналогов в мировой науке. Учениками Ландау и его соратниками были выдающиеся физики-теоретики: Е. М. Лифшиц, И. Я. Померанчук, И. М. Халатников, А. Б. Мигдал, А. А. Абрикосов, А. И. Ахиезер, Л. П. Горьков, Л. П. Питаевский и др.

Говоря о других отечественных физиках-теоретиках, следует упомянуть о школе, которую возглавлял Игорь Евгеньевич Тамм (1895—1971), лауреат Нобелевской премии 1958 г. Основополагающие работы сделаны им в области теоретической и прикладной электродинамики, квантовой механики, ядерной физики, физики элементарных частиц и др. Ученый известен своими идеями о том, что ядерные силы носят обменный характер, и о термоизоляции плазмы магнитным полем. Он ввел в физику понятия звуковых квантов — фононов, объяснил эффект Вавилова — Черенкова и др. Тамм создал большую школу физиков-теоретиков, к которой принадлежали выдающиеся современные ученые: В. Л. Гинзбург, Л. В. Келдыш, М. А. Марков, А. Д. Сахаров, Е. Л. Фейнберг, Д. И. Блохинцев, С. А. Альтшулер, И. М. Франк, С. П. Шубин, Д. А. Киржниц и др.

Физика низких температур получила в советской науке значительное развитие. Фактически СССР был «Меккой» для ученых, работавших в этой области физики. Так сложилось во многом благодаря энергии Петра Леонидовича Капицы (1894—1984). Он родился в Кронштадте, окончил в 1918 г. Петроградский политехнический институт и остался работать на кафедре А. Ф. Иоффе. С 1921 по 1935 г. Капица работал у Резерфорда в Кавендишской лаборатории, был его ближайшим сподвижником, директором лаборатории Монда, ставшей тогда примером индустриализации научных исследований. В 1935 г., вернувшись в СССР, он организовал Институт физических проблем (ИФП), директором которого был до конца жизни. Капица — организатор и профессор знаменитого Физтеха, Московского физико-технического института, учеба в котором была мечтой нескольких поколений советских школьников.

В 1922 г. совместно со своим другом, будущим выдающимся химиком, академиком, Нобелевским лауреатом 1956 г. Николаем Николаевичем Семеновым (1896—1986) Капица предложил метод исследования магнитного момента атома, реализованный затем О. Штерном и В. Герлахом. В 1924 г. ученый предложил и реализовал метод получения сверхсильных импульсных магнитных полей напряженностью до 50 Тл. Главное научное достижение Капицы — обнаружение в конце 30-е гг. XX в. сверхтекучести жидкого гелия. За работы в области физики низких температур в 1978 г. ученый был удостоен Нобелевской премии. В последующие годы к основным направлениям работы Капицы относились электроника больших мощностей, получение термоядерной энергии.

Петр Леонидович Капица был удивительным человеком. Он был, несомненно, наиболее авторитетным физиком в стране. Именно его мнение было решающим при любых спорах и конфликтах, возникавших в научной среде. Капица до конца жизни работал главным редактором одного из старейших и наиболее известных российских изданий по физике — «Журнала экспериментальной и теоретической физики» (ЖЭТФ); научный семинар, проходивший в ИФП, привлекал основную часть физиков Москвы и всей страны.

В физике низких температур работали теоретики Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, И. М. Лифшиц, В. Л. Гинзбург, а также экспериментаторы Л. В. Шубников, Э. Л. Андроникашвили, А. И. Шальников, Ю. В. Шарвин и многие другие.

Радиофизика также долгое время относилась к наиболее приоритетным направлениям советской науки. Это было связано с большой практической и особенно военной ценностью проводимых работ. Кроме того, советская радиофизика, по крайней мере на начальном этапе своего развития, базировалась на достижениях науки дореволюционного периода, знаменем которых был А. С. Попов (см. гл. 21).

Успешное становление и развитие радиофизики в СССР в первую очередь связаны со школой Л. И. Мандельштама — Н. Д. Папалекси и нижегородской радиофизической школой А. А. Андронова. Леонид Исаакович Мандельштам (1879— 1944) — академик АН СССР, выдающийся физик-теоретик, окончил университет в Страсбурге, где выполнил первые исследования по электромагнитным колебаниям под руководством К. Ф. Брауна, а затем работал в Московском университете.

«С именем Мандельштама связано создание блестящей школы советских физиков… — писал известный радиофизик С. М. Рытов. — Леонид Исаакович не принадлежал к тем, кто любит поучать и морализировать. Вместе с тем я не знаю лучшего воспитателя молодежи. Он воспитывал просто личным примером». Основные научные работы ученого и его школы относятся к квантовой механике, оптике, радиофизике, теории нелинейных колебаний. Исследования, которые проводил Л. И. Мандельштам вместе со своим другом и соратником, выдающимся экспериментатором Григорием Самуиловичем Ландсбергом (1890—1957) привели к открытию комбинационного рассеяния света. Одновременно с ними этот эффект был открыт также индийскими физиками Чандрасекхарой Раманом (1888—1970) и Кариаманиккамом Кришнаном (1898—1961), которые несколько раньше опубликовали результаты своих наблюдений и были признаны первооткрывателями этого явления.

Большое место в научном творчестве Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси занимали исследования в области теории колебаний. Начатые еще в Страсбурге, они первоначально относились к линейным колебательным системам. Однако в связи с практическим использованием нелинейных устройств в радиотехнике начинают интенсивно изучаться явления генерации незатухающих колебаний, которые линейная теория описать уже не могла. Это привело к возникновению учения о нелинейных колебаниях.

Талант крупного ученого и педагога, богатство мыслей и идей, личные качества привели Мандельштама к созданию большой и эффективной научной школы. В нее вошли талантливые молодые ученые, аспиранты и студенты: А. А. Андронов, А. А. Витт, Г. С. Горелик, В. В. Мигулин, С. М. Рытое, С. П. Стрелков, К. Ф. Теодорчик, С. Э. Хайкин (теория колебаний), Г. С. Ландсберг, П. А. Бажулин (оптика), М. А. Леонтович, И. Е. Тамм (теоретическая физика), И. М. Борушко, К. Э. Виллер, В. П. Гуляев, Э. М. Рубчинский, Е. Я. Щеголев (радиофизика), М. А. Исакович (молекулярная физика) и др.

Из методов, разработанных школой Мандельштама — Папалекси и успешно используемых при исследовании нелинейных систем, следует отметить метод припасовывания, метод малого параметра Пуанкаре (открыт А. А. Андроновым), метод Б. Ван-дер-Поля, или метод медленно меняющихся амплитуд (получил неопровержимое подтверждение благодаря Л. И. Мандельштаму и Н. Д. Папалекси) и др.

Развитие теории колебаний способствовало также лекции и семинары, проводившиеся Мандельштамом в Московском университете. Иногда они содержали новые научные взгляды, которые нигде больше не публиковались. Но может быть, еще большее значение этих лекций было в систематическом привитии навыков мышления, признающего роль колебательных процессов в природе материи, а также в повышении общей культуры знаний в этой области.

Подход к трактовке колебательных процессов в различных системах, развитый в работах Мандельштама — Папалекси и их учеников, стал надежной основой для успешного построения теории и методов расчета современных технических устройств. Так, например, Александр Александрович Андронов (1901—1952) на этой основе создал новое направление в теории колебаний и динамике систем (в частности, теорию автоколебаний), а впоследствии он возглавлял всемирно известную школу нелинейных колебаний. Результаты работ Андронова и его сотрудников вошли в книгу «Теория колебаний», ставшую главным учебником для целых поколений будущих радиофизиков. Излагаемые в ней новые точки зрения, подходы и методы широко используются в радиотехнике, радиофизике, в теории автоматического регулирования, вибрационной технике, циклической автоматике, прикладной математике, динамике твердого тела, атомной энергетике, химии, экологии, биологии и др.

К заслугам отечественных радиофизиков необходимо отнести работы по созданию радиолокационных систем различных направлений, разработку радиоинтерференционных методов исследований, создание новых типов генераторов электромагнитных колебаний, в том числе параметрических, работы по развитию радиоспектроскопии и многие другие. Основоположником радиоспектроскопии был Евгений Константинович Завойский (1907—1976), открывший в 1944 г. электронный парамагнитный резонанс.

Развитие атомной физики сначала протекало во всем мире довольно спокойно и не особенно интересовало широкую публику. Э. Резерфорд, супруги Кюри, великий Энрико Ферми (1901—1954) и их сотрудники — вот главные герои этого направления физики до Второй мировой войны. В СССР эти исследования также велись достаточно интенсивно как в теоретическом, так и в прикладном аспектах. В 1938 г. Отто Ганом (1879—1968) и Фрицем Штрассманом (1902—1980) было открыто деление урана, а затем Н. Бор и Джон Арчибальд Уилер (1911—2008), а также (независимо от них) Я. И. Френкель теоретически обосновали этот эффект.

Наступил момент, когда стало ясно, что можно практически осуществить цепную реакцию деления и использовать выделяющуюся при этом энергию. Это открытие совпало с началом Второй мировой войны и, конечно же, возникли опасения, что гитлеровцы могут создать атомную бомбу. А. Эйнштейн и ряд других ученых, проживавших в США, написали письмо президенту Ф. Д. Рузвельту, и в Лос-Аламосе началась работа по созданию американской атомной бомбы, которая была испытана 16 июля 1945 г.

В Советском Союзе тоже были начаты подобные работы. Их возглавил Игорь Васильевич Курчатов. Он родился в 1903 г. в поселке Сим на Урале, учился сначала в Таврическом университете в Симферополе, затем в Ленинграде. Потом Курчатов долго ездил по стране, пока в 1925 г. вместе с Кириллом Дмитриевичем Синельниковым (1901—1966) не начал работать в ленинградском Физтехе. Первые научные работы Курчатова относятся к физике диэлектриков и сегнетоэлектриков, а с 1932 г. он сосредоточил свое внимание на ядерных исследованиях.

Курчатов вошел в историю науки как выдающийся ученый-организатор. Он возглавил начиная с 28 сентября 1942 г. работы по созданию ядерного оружия в СССР. Это был гигантский проект, в котором участвовали сотни разнопрофильных институтов и заводов. Масштабы задач даже сейчас поражают своей грандиозностью. Необходимо было создать совершенно новую отрасль промышленности, где в едином комплексе работали бы физические, химические, биологические научно-исследовательские институты, заводы и полигоны, геологические партии и горнодобывающие предприятия, наука, промышленность, армия и разведка. Именно в рождении подобного комплекса была основная трудность при создании ядерного оружия. Но и наука, особенно физика и химия, внесли в это дело значительный вклад.

Фактически большая часть советских физиков в той или иной мере участвовала в научных исследованиях, направленных на создание ядерного оружия. Историческая справедливость требует, чтобы были названы хотя бы некоторые из них: А. П. Александров, А. И. Алиханов, Л. А. Арицимович, И. И. Гуревич, Я. Б. Зельдович, И. К. Кикоин, И. Я. Померанчук, А. Д. Сахаров, В. Л. Гинзбург, Н. Н. Семенов, Ю. Б. Харитон, И. Е. Тамм, Д. И. Блохинцев, А. И. Лейпунский и многие другие выдающиеся отечественные физики. Проблема создания ядерного оружия в то время была главной для целого поколения советских физиков.

В результате этой деятельности в 1946 г. заработал первый в Европе атомный реактор, в августе 1949 г. в Семипалатинске был проведен испытательный взрыв атомной бомбы, а еще через 4 года (раньше, чем в США) — водородной.

Атомные работы были строго засекречены во всех странах, где они велись, однако уже в конце 1950;х гг. началось неизбежное рассекречивание таких исследований, особенно работ по управляемому термоядерному синтезу. И первая непосредственная акция в этом направлении также была выполнена Курчатовым. В 1956 г. в английском ядерном центре Харуэлл он сделал доклад о том, как в СССР ведутся работы по управляемому термоядерному синтезу. С тех пор эти работы стали открытыми во всем мире. Управляемый термоядерный синтез был до конца жизни главным делом Курчатова. Он скончался в 1960 г.

История отечественной физики была бы неполна без описания тех исследований, которые привели к присуждению самых высоких для ученого мира наград — Нобелевских премий. Двенадцать отечественных физиков являются Нобелевскими лауреатами. О двух из них—Л. Д. Ландау и П. Л. Капице — было рассказано выше.

Подробно говорилось также и о И. Е. Тамме, который вместе с Павлом Алексеевичем Черенковым (1904—1990) и Ильей Михайловичем Франком (1908—1990) в 1958 г. были удостоены Нобелевской премии за открытие и теоретическое обоснование эффекта Вавилова — Черенкова. Он был открыт Черенковым в 1934 г. и теоретически объяснен Таммом и Франком. Этот эффект связан также с именем С. И. Вавилова, под руководством которого проводились работы, приведшие к его открытию. У нас в стране явление, состоящее в излучении электромагнитных волн заряженными частицами, движущимися со скоростями, превышающими скорость света в данной среде, принято называть эффектом Вавилова — Черенкова.

Работы в области квантовой электроники имели в СССР хорошо подготовленную теоретическую основу. Еще в 1939 г. известный советский ученый Валентин Александрович Фабрикант (1907—1991) доказал возможность усиления света в среде с инверсной заселенностью, а в 1951 г. высказал идею квантового усилителя. В 1954 г. Н. Г. Басов и А. М. Прохоров создали молекулярный генератор на аммиаке, а в 1955 г. — предложили новый трехуровневый метод создания сред с отрицательным поглощением, который сейчас широко применяется в квантовой электронике. В сущности говоря, именно работы этих ученых положили начало развитию в нашей стране данного направления в физике. За работы по созданию квантовых генераторов (мазеров и лазеров) лауреатами Нобелевской премии 1964 г. стали советские ученые Николай Геннадиевич Басов (1922—2001) и Александр Михайлович Прохоров (1916— 2002), а также американский физик Чарлз Хард Таунс (р. 1915). Дальнейшая деятельность Басова и Прохорова весьма многогранна и кроме создания и исследования лазеров, включает также нелинейную оптику, управляемый термоядерный синтез и другие актуальные темы.

Нобелевская премия по физике 2000 г. была присуждена известному отечественному физику Жоресу Ивановичу Алферову (р. 1930) за основополагающие работы в области информационных и коммуникационных технологий. Вместе с ним Нобелевской премии были удостоены Г. Кремер и Дж. Килби. Исследования Алферова привели к созданию полупроводниковых лазеров и других квантовых устройств на основе полупроводниковых гетероструктур (см. гл. 21).

Кроме того, в 2003 г. В. Л. Гинзбург, А. А. Абрикосов (живущий и работающий в США) и американский физик Энтони Джеймс Леггетт (р. 1938) получили Нобелевскую премию за основополагающие работы по теории сверхпроводников и сверхтекучих жидкостей. Наконец, в 2010 г. наши соотечественники Андрей Константинович Гейм (р. 1958) и Константин Сергеевич Новоселов (р. 1974) стали Нобелевскими лауреатами за синтез графена (см. гл. 24). Правда, это открытие они сделали, работая в Манчестерском университете.

Изложенный здесь материал, конечно же, не может служить сколько-нибудь полной историей отечественной физики. Это скорее синопсис. Были упомянуты лишь некоторые из числа русских и советских ученых, которые заслуживают быть представленными в учебнике, нашли место на его страницах. Для более полного знакомства с жизнью и научным творчеством русских и советских ученых авторы вынуждены адресовать интересующихся развитием отечественной физики к трудам этих ученых, которые представлены в списке рекомендуемой литературы.

Историческая наука, в том числе и история физики, должна в какой-то мере прогнозировать развитие предмета, историей которого она занимается. Поэтому данную главу следует закончить кратким обзором современного состояния физики в России. Знакомство с современной российской физикой оставляет двойственное впечатление. С одной стороны, дефицит внимания государства к научным исследованиям мгновенно сказался на состоянии отечественной науки. Свернуты научные исследования, значительная часть научных работников, особенно молодых, уехала работать за границу, не строятся больше сложные приборы и установки, без которых невозможна современная наука. Все это, конечно, отражается на уровне и престиже российской науки, которая стремительно теряет свои позиции в мировом научном сообществе. С другой стороны, запас прочности, приобретенный российской наукой в советские времена, пока не полностью исчерпан. Пример тому — высокая оценка работ Физико-технического института в СанктПетербурге, директор которого Ж. И. Алферов стал лауреатом Нобелевской премии в 2000 г.

Руководство страны обеспокоено сегодняшним состоянием науки, в том числе фундаментальной, хотя в большей степени его интерес прикован к прикладным исследованиям. Разработан ряд проектов, призванных поддержать научные инновации. Хорошо известен, например, инновационный проект «Сколково». Ученые, конструкторы, инженеры и бизнесмены вместе с участниками образовательных проектов должны будут трудиться здесь над созданием конкурентоспособных наукоемких проектов мирового уровня в пяти приоритетных направлениях: энергоэффективность и энергосбережение, ядерные технологии, космические технологии и телекоммуникации, биомедицинские технологии, стратегические компьютерные технологии и программное обеспечение. Ожидаемый результат проекта «Сколково» — создание самоуправляющейся и саморазвивающейся исследовательской инфраструктуры, благоприятной для выработки и воплощения в жизнь научных идей и для развития на этой основе предпринимательства. Пока еще рано говорить об успехе или неудаче этого проекта, его развитие находится фактически на начальном этапе.

Говоря о направлениях российской физики, которые еще не потеряли высокого уровня исследований, следует, отметить те из них, которые ведутся совместно с рядом зарубежных физических центров. Подобная международная кооперация весьма характерна для постнеклассической науки. В качестве примера можно привести успешную деятельность отечественных ученых в интернациональном научном сообществе, ведущем исследования в ЦЕРНе на Большом адронном коллайдере. Еще один убедительный пример — международный проект, направленный на синтез сверхтяжелых элементов таблицы Менделеева, который ведется в Дубне под руководством Ю. Ц. Оганесяна. Согласно распространенному совместному заявлению сотрудников Ливерморской лаборатории им. Лоуренса (Калифорния) и Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ, г. Дубна) эксперименты, проводившиеся на дубнинском ускорителе элементарных частиц в феврале — июне 2005 г., привели к открытию нового химического элемента с порядковым номером 118.

Общий анализ состояния науки в России свидетельствует, что она пока не превратилась в провинциальную, несмотря на то что к этому есть реальные основания. Финансирование науки резко снизилось, научно-исследовательские институты закрываются или становятся недееспособными. В то же время еще функционируют и даже имеют государственную поддержку сложившиеся в прошлые годы научные школы. По словам академика РАН А. В. Гапонова-Грехова: «В русской науке важнейшую роль играло это уникальное явление — научные школы. В них наилучшим образом сочетается индивидуальное творчество отдельных личностей с коллективной исследовательской работой. Живые научные школы с их лидерами — главный резерв для развития стратегических научных направлений».

Уровень университетского образования пока еще достаточно высок, так что выпускники российских вузов составляют значительную часть научных работников на Западе. И самое главное, не полностью потерян интерес к физике и другим естественным наукам среди молодежи. Поэтому физические исследования в России существуют и можно ожидать, что они будут продолжаться и дадут интересные и важные результаты.

Этим оптимистическим утверждением мы и заканчиваем данную главу, завершая вместе с тем обзор основных направлений исследований и открытий периода неклассической физики. Хронология научных событий (трудов, открытий, изобретений, технических достижений) в истории физики этого периода приведена в Приложении 1.

Контрольные вопросы.

• 1. Какими чертами можно охарактеризовать науку в России в XIX — начале XX в.
• 2. Как можно оценить состояние отечественной науки в период соперничества США и СССР?
• 3. С чем связаны отсутствие научных школ (за исключением школы П. Н. Лебедева) и невысокие темпы развития физики в дореволюционной России?
• 4. В каких направлениях развивалась физика в нашей стране в первые послереволюционные годы?
• 5. Какие научные учреждения были организованы в этот период в России?
• 6. Какую роль в становлении отечественной физики сыграл А. Ф. Иоффе?
• 7. Каких выдающихся учеников он воспитал?
• 8. Какие работы в области теоретической физики выполнил Я. И. Френкель?
• 9. Кто является автором теории нестационарной Вселенной?
• 10. Какой вклад в теоретическую физику внесли Л. Д. Ландау и И. Е. Тамм?
• 11. Какой фундаментальный теоретический курс стал настольной книгой целых поколений физиков-теоретиков в СССР?
• 12. Какие ученые заложили фундамент отечественной физики низких температур?
• 13. Какие научные достижения принесли известность П. Л. Капице?
• 14. Какая научная школа считается основоположницей теории нелинейных колебаний и отечественной радиофизики?
• 15. Почему И. В. Курчатова считают выдающимся ученым-организатором?
• 16. Какие отечественные ученые-физики являются лауреатами Нобелевской премии?
• 17. Как можно охарактеризовать современное состояние российской физики?

Задания для самостоятельной работы

• 1. Общая характеристика русской дореволюционной физики.
• 2. М. В. Ломоносов. Жизнь и научная деятельность.
• 3. П. Н. Лебедев и его научная школа.
• 4. Д. И. Менделеев, Н. А. Умов, А. Г. Столетов и другие выдающиеся русские физики дооктябрьского периода.
• 5. А. Ф. Иоффе — основатель советской физики.
• 6. История развития отдельных направлений советской физики.
• 7. Научная биография Я. И. Френкеля.
• 8. А. А. Фридман — основоположник современной космологии.
• 9. Л. Д. Ландау. Жизнь и научная деятельность.
• 10. Научная школа Л. Д. Ландау.
• 11. Научная школа И. Е. Тамма.
• 12. Эффект Вавилова — Черенкова. История открытия, теоретическое обоснование.
• 13. Исторические этапы развития советской радиофизики.
• 14. Научные школы Л. И. Мандельштама — Н. Д. Папалекси и А. А. Андронова.
• 15. История советской ядерной физики. И. В. Курчатов.
• 16. История создания атомной и водородной бомбы в СССР.
• 17. Исторические вехи развития отечественной квантовой электроники.
• 18. А. Д. Сахаров. Ученый и политик.
• 19. П. Л. Капица. Человек, долгие годы олицетворявший советскую физику.
• 20. Отечественные физики —лауреаты Нобелевской премии.
• 21. Современное состояние физики в России.

Рекомендуемая литература

• 1. Храмов, Ю. А. Научные школы в физике. — Киев: Наукова думка, 1987.
• 2. Мухин, К. Н. Российская физика Нобелевского уровня / К. Н. Мухин, А. Ф. Суставов, В. Н. Тихонов. — М.: Физматлит, 2006.
• 3. Сурин, А. В. Судьбы творцов российской науки / отв. ред. и сост. А. В. Сурин и М. И. Панов. — М.: Эдиториал УРСС, 2002.
• 4. Иоффе, А. Ф. Избранные труды: в 2 т. —Л.: Наука, 1974—1975.
• 5. Шполъский, Э. В. Очерки развития советской физики. — М.: Наука, 1967.
• 6. Тропа, Э. А. Александр Александрович Фридман. Жизнь и деятельность / Э. А. Тропп, В. Я. Френкель, А. Д. Чернин. — М.: КомКнига, 2006.
• 7. Горобец, Б. С. Круг Ландау: Физика войны и мира. — М.: УРСС, 2009.
• 8. Андроникашвили, Э. Л. Воспоминания о жидком гелии. — Тбилиси: Ганатлеба, 1982.
• 9. Капица, П. Л. Научные труды. Наука и современное общество. — М.: Наука, 1998.
• 10. Тамм, И. Е. Собрание научных трудов: в 2 т. — М.: Наука, 1975.
• 11. Академик Л. И. Мандельштам: сборник к 100-летию со дня рождения. — М.: Наука, 1979.
• 12. Кудрявцев, В. В. Избранные вопросы истории радиофизики: учеб, пособие для вузов / В. В. Кудрявцев, В. А. Ильин. — М.: ООО Издательство Научтехлитиздат, 2011.
• 13. История советского атомного проекта. — Вып. 1: документы, материалы и исследования / под ред. В. П. Визгина. — М.: Янус-К, 1998.
• 14. История советского атомного проекта. — Вып. 2: документы, воспоминания, исследования / под ред. В. П. Визгина. — СПб.: РХГИ, 2002.
• 15. Гинзбург, В. Л. О физике и астрофизике: статьи и выступления. — М.: Наука, 1985.
• 16. Алферов, Ж. И. Физика и жизнь. — СПб.: Наука, 2000.
• 17. Горелик, Г. Е. Матвей Петрович Бронштейн: 1906—1938 / Г. Е. Горелик, В. Я. Френкель. — М.: Наука, 1990.
• 18. Корзухина, А. М. От просвещения к науке: физика в Московском и Санкт-Петербургском университетах во второй половине XIX — начале XX в. —Дубна: Феникс+, 2006.
• 19. Научное сообщество физиков СССР. 1950—1960;е годы: документы, воспоминания, исследования / сост. и ред. В. П. Визгин и А. В. Кессених. — Вып. 1. — СПб.: РХГА, 2005.
• 20. Научное сообщество физиков СССР. 1950—1960;е и другие годы: документы, воспоминания, исследования / сост. и ред. В. П. Визгин и А. В. Кессених. — Вып. 2. — СПб.: РХГА, 2007.