2
Как создавалась советская физика
Редакция обратилась к Герою Социальностного Труда, академик И. К. Кикониу с просьбой рассказать об основных этапах становления советской физики. Исаак Константинович Кикони нацал занимается физикой в 1927 году — в год десятилетия Советской власти. Ему посчастливилось работать со многими замечательными учеными, которые по праву можно считать основоположниками советской физики. Позотому его рассказ — это рассказ очевидца и участника описываемых событий.
В этом номере мы начнем публикацию воспоминаний академика И. К. Кикониа. Публикация подготовлена Т. Петровой и И. Слободецким.
С первых же лет своего существования молодое советское государство уделяло огромное внимание развитию отечественной науки. По инциативе и при активной поддержке Владимира Ильича Ленина в стране было создано немало новых научных центров. Одним из них был Ленинградский физик-технический институт, основанный в 1918 году академиком Абрамом Федоровичем Иоффе. В этом институте и начал заниматься физикой.
Do revoilionn hayka в России развивалась в основном в университетах и была оторвана не только от практической жизни, но даже и от настоящего современной науки. Абрам Федорович Иоффе рассказывает, что, когда он начал заниматься физикой, в университетах России господствовала такая точка зрения на работу ученого-физика: дело научного работника — повторять опыты, которые ставились за границей, а новые идеи и самостоятельные работы считались немыслыми, потому что, мол, у нас нет достагоно подготовленных ученых.
Еще в 1918 году, сквозь дым пожара гражданской войны, А. Ф. Иоффе сумел увидеть будущее контур социальностной страны и понять, что будущее технически и промышленно-
3
ность должны базироваться на хорошо развивой физической наук. А для этого нужны были физики, знакомые с технической, которые могли бы в будущем связать физическую наук с потребностями техники. Для подготовки таких специалистов Иоффе создал в Ленинградском политехническом институте физico-mеханический факультет. На этот факультет я и поступил в 1925 году.
Учитывая на факультете было трудно, потому что физico-mатематические дисциплины преподавались на уровне университетской программы, а вместе с тем студенты должны изучать инженерные дисциплины. Поступив в институт, я сразу погрузился в атмосферу настояшей науки.
Мы, студенты, знали, что наш декан — знаментий учены, имеем которого назван открытый им эфект. Эффект Иоффе заключится в том, что при смчивании поверхности кристалла каменной coli (NaCl) водой его прочность возрастает в несколько сот раз. Результаты необсячайно простого по использованию опыта, поставленного Иоффе, имели чрезвычайно важное значение. И вот почему.
В 1915 году замечательный немецкий физик Макс Борн создал строую теории кристаллов. Эта теория объясняя оптические, электрические и другие свойства различных кристаллов. Многочисленные экспериментальные данные, имеющиеся в то время, подтверждали справедливость теории. И только в одном теории резко расходилась с экспериментом — в оценке прочности кристаллов. Было, например, известно, что кристалл каменной coli при его растяжении разрушается, когда возникающие в нем в результате деформации направления составляют приблизительно 4,5·10⁶ H/m². (Напряжение σ называют относительной силы упругостии |Fγуп| к площади S поперечного сечения образца, перpendикулярного направлению деформации: σ = |Fγуп|/S. Значение σ, при котором образец разрушается, называют пределом прочности.) А теоретический расчет давал совершению иную оценку —
Абрам Федорович Иоффе (1880—1960)
порядка 10⁹ H/m². И объявить это расхождение в рамках теории Борна никакому не удавалось.
А. Ф. Иоффе предложил, что рассматриваемая в теории модель разрушения кристалла отличается от того, что происходит в результате кристалле при его деформации. Теоретические расчеты предела прочитности делались в пределах詹ни, что кристалл разрушается мгновенно по всему сечению образца. Иоффе же предложил, что разрушение кристалла просходит постепенно. Начинается оно в каком-то самом «слабом» месте, а потом распространяется вдоль по сечению образца. Постепенно разрушения связана с тем, что на поверхности кристалла имеются микросокопические трещины. С такой трещинки и начинается разрушение при направлениях, конечно, меньше, чем теоретические значения пределов прочности. Трещинка постепенно разрабатывается и приводит к разрыву всего кристалла.
Идея опыта, которой А. Ф. Иоффе поставил для проверки своего предложения, была необсячайно проста. Tonкий монокристаллический образец каменной coli погружался
4
частчно в теплую воду. Вода постепенно расторяла соль, мокрая часть образца становится тонше, но поверхность ее делалась гладкой, трещинны ищезали. В таком виде образец подвергался растяжению. Обыты показали, что сухая часть образца разрушалась при напряжении 4,5×10⁶ H/m², а погруженная в воду часть образца выдерживала напряжение до 1,6·10⁹ H/m². Так блескяще подвергалась гипотеза А. Ф. Иофе.
Многие физики считали, что предложенная Иофе модель разрушения кристалла не соответствует действительности. Но многократно повторенные убедительные опыты подтвердили ее правление. И обнаруженному Иофе явлению повышения прочности кристаллов при сглаживании их поверхности было присвоено название «эффекта Иофе».
На одной из своих популярных lekций студентам-первокурсникам А. Ф. Иофе использовал свою идею следующими простыми опытими. Он брал прямогольную полоску бумаги и пытался ее разорвать, неосредственно растягивая ее руками. Для этого ему приходилось прилагать значительное усилие. Но стонло эту полоску чуть надорвать поперек (то есть создать в ней «трешинку»), как разрыв ее проискодил при ничтожном усилинии. (Читатель легко сам может повторить этот опыт.) Другой опыт проводился со стеклянными палочками. Абрам Федорович приготовил к lekции стеклянные палочки диаметром 2—3 мм, которые в течение нескольких часов были погружены в сосуд с дистиллированной водой. Такие же, но сухие палочки лежали рядом на столе. Попытка согнуть сухие палочки в «дугу» неизменено кончались неудачей — палочки ломались. Палочки же, только что вынуты из воды, легко сгибались в обруч! Объясняется это тем, что, хотя и много медленнее, чем соль, но стекло тоже расторяется в воде, и вода «смывает» трещинки с поверхности палочки.
Мы, студенты, очень внимательно следили за научными успехами на-
Александр Алексадрович Фридман
(1888—1925)
ших профессоров, более за них. Мы очень гордились тем, что у нас на факультете работы Алексадрович Фридман — один из крупнейших механиков в мире. Мы знали, понасыщке, что он внес очень существенный вклад в общую теорию относительной плотности, поправив самого Эйнштейна.
Эйнштейн в первой четверти XX столетия сформировал вслед за специализной теорией относительной плотности общую теорию относительной плотности. Эта теория позволяет создать математическое модель Вселенной — составить систему уравнений, решения которой описывало состояние Вселенной. Сам Эйнштейн нашел статионарное решение, и модель Вселенной, построенная Эйнштейном, была статичной, неизменной во времени. Фридман договорался, что нарушу со статическим решением Эйнштейна существу диамическое решение. Это означает, что состояние Вселенной построено изменяется во времени, Вселенная расширяется.
Известно, что понacular Эйнштейн встретил эту работу Фридмана в шты-
5
ки, но потом понял, что идея, которую высказал Фридман, справедлива*.) Оказалось, что расширение Вселенной следует из общей теории относительнойности. Когда это было учтено, теория относительнойности стала практическим законченой теорией. Таким образом, Фридман наряду с Эйнштейном является одним из авторов общей теории относительнойности. Мы этим очень гордились.
У нас в институте Фридман читал курс механики. А в нашей студенческой библиотеке был отпечатанный курс лекций, прочитанных Фридмом в Военно-морской академии. Назывался он «Опыт гидромеханики скимаемой жидкости». Мы тогда еще не понимали, что это означает. И только потом мы узнали, что в нем впервые была решена задача о движении жидкости или газа с очень большими скоростями, когда жидкость или газ прициппально нельзя считать идеальным и надо учитывать их скимаемость. Теперь эта работа Фридмана стала общеприятной теорией, на которой основана вся гидромеханика сверхзвуковых скоростей. Этот раздел гидромеханики называется газовой динамикой. Так что родоначальник газовой динамики был наш профессор А. А. Фридман. К сожалению, он погиб очень soon — в 1925 году, когда ему было всего 37 лет.
Напротив нашего института, через улицу, которая называлась «Дорога в Сосновку», находился Ленинградский физico-технический институт (тогда он назывался физico-техническийRENTНОВСКИЙ INSTITUT). Директором его был академик А. Ф. Иоффе. Зрелых физков в этом институте было очень мало. Были сам академик
*) 18 сентября 1922 года Эйнштейн опубlikовал свое «Замечание к работе А. Фридмана» «О кривизне пространства», в котором он писал: «Результаты относительной несущинонородного мира, содержащиеся в упомянутой работе, представляются мне подозрительные». Но уже 31 мая 1923 года Эйнштейн писал: «В предыдущей заметке я подверг критике работы Фридмана… Оdnako моя критика, как я убедился… основываясь на ошибке в вычислениях. Я считаю результаты Фридмана правильными…»
демик Юоффе; он привлек к работе профессора Дмитрия Аполлинариевича Рожанского, крупного радиофизика; привлек Ивана Васильевича Обренова, недавно окончившего университет (ныне академика); пригласил работать недавно кончившего университет Николая Николаевича Семенова (ныне академика, Нобелевского лауреата); крабote был привлечен профессор Яков Ильич Френкель, крупный ученый, один из основателей советской теоретической физики; был привлечен Алексаандр Алексеевич Чернышев — крупный электрик, который занимался вопросами электротехники. Основную массу сотрудников составляли молоды люди, наавшие работы, будучи студентами физico-технического факультета. На этом основании недруги коренного, я бы сказал,революционного преобразования в физике и в развитинах работ, которое нациализь в физico-техническом институте, называли этот институт детским садом. Тем не менее, ЛФТИ уже стал одним из основных центров физической науки в СССР.
Отбирались студенты на работу в институт таким способом. Преподавали факультета — сотрудники института, в том числе и студенты старших курсов, которые руководили лабораторными работами студентов, имели указания А. Ф. Иоффе пристмативаться к студентам, которые проявляют интерес и способности к экспериментальной физике, и приглашать их на работу в физico-технический институт. В 1927 году, будучи студентом второго курса, я был приглашен на работу в физico-технический институт. Там молодежь сразу приближалась к современной науки. С нами не очень ничились и не считались с тем, что у себя на факультете мы еще чего-то «не проходили». На научных семинарах, которые происходили регулярно по пятнищам, с 5 до 7 вечера, разбиались научные работы, только что сделанные сотрудниками института или опубликованные в зарубежных журналах. Мы принимали участие в работе семинара, должны были случаи и понятия, о чем идет речь, а если не понимали, то справивать.
7
Яков Ильич Френкель (1894—1952)
нагревании тела меняется амплитуда этих колебаний, следовательно, меняется и энергия колеблошихся атомов. Изменение энергии тела при его нагревании на один градус и есть теплокость тела. Формула Эйнштейна для теплокости твердого тела равильно описывала характер изменения теплокости с температурой, но при низких температурах расчитанные по этой формуле значения теплокости не совпадали с экспериментальными результатыми.
Теорию Эйнштейна усовершенствовал Дебай в 1912 году. Он предложил, что atoms в твердом теле колеблотся не независимо, они связаны между собой и образуют единую колебательную систему. Расчеты, основанные на этом предложении, дали прекрасное совпадение теоретических значений теплокости с экспериментальными данными. Они, в частности, согласовались с давно известным фактом — так называемым законом Дюлонга и Пти, по которым теплокость одного моля любого твердого вещества одна и та же и равна 25 Дж/(моль·К).
Но в разработанной теории теплокости было одно «темное место» — это теплокость металлов. Металл, как известно, состоит из ионизированных atoms, образующих кристаллический решетку, и свободных электронов. Эти свободные электроны ведут себя как общный идеальный газ (его называют электронным газом). Каэлось бы, теплокость 1 моля металла должна складывать из теплокости решетки (25 Дж/(моль·К)) и теплокости электронного газа. А последнюю подсчитать совсем нетрудно — как теплокость одноатомного идеального газа: энергия E одного моля газа равна (R — универсальная газовая постоянная), а теплокость
Дж/(моль·К).
Итак, теплокость моля металла должна быть равнять приблизительно 37,5 Дж/(моль·К). А изменения показывают, что она равна 25 Дж/(моль·К). Это было настоящее неопоняное, что физики называют парадокс «катастрофой теплокости».
Объяснить этот факт стало возможно только с появлением квантовой механики. Квантовом механическую теорию электронного газа в металле разработали Зоммерфельд в Германии, а у нас в Советском Союзе профессор Яков Ильич Френкель. Согласно теории свойства электронного газа существенно отличия от свойств одноатомного газа. В частности, при обычных (не очень высоких) температуре энергия свободных электронов в металле практически не зависит от его температуры, тогда как кинетическая энергия atoms газа при propioциональна температуре. Иными словами, при нагревании металла его внутренняя энергия изменяется только за счет изменения энергии колебания atoms (точнее — ионов) кристаллической решетки; энергия же электронного газа остается неизменной. Следовательно, теплокость металлов — это теплокость atoms его решетки и равна 25 Дж/(моль·К). Так
10
через жидкий металл, нахождение в магнитном поле, пропускают ток, то со стороны магнитного поля на металл начинают действовать силы, которые приводят к смешению отдельных слоев жидкого металла друг относительно друг. (В твердом металле этого перемешения слоев, естественно, нет.) В результате возникот выходные токи, которые «смазывают» эфект Холла в жидком металле. Так что необходимо, если не свести на нет, то максимальное уменьшение этих «паразитных» токов. Для этого мы взяли образец в виде тонкого слоя жидкого металла. Тщательно проведенные измерения обнаружили наличие эфекта Холла. Года через полтора вышла работа Зоммерфельда, в которой рассказывалось об опытах, подтверждающих современную теорию металлов. Ссылался Зоммерфельд и на наш опыт. По правде говоря, я был необыкновеню гордской — такой авторитет, как Зоммерфельд, оценил мою работу.
Была еще одна проблема в физике металлов, которая тогда очень волновала физков-теоретическов — вопросо ферромагнетизме. Было хорошо известно, что из всех металлов, которые имеются в природе, только три металла являются ферромагнитными — это железо, nickel и кobalt. (Сейчас их известно значительно больше.) Они отличятся тем, что их намагниченность, появляющаяся в очень слабом магнитном поле, довольно большая, в несколько сотен тысяч раз большие, чем у обычных металлов. Например, чтобы в обычном металле получить такое намагничность, какая появляется у железного образца в поле ~0,01 T, необходимо иметь внешнее магнитное поле ~1000 T. Для объяснения этого непонятного явления французский физик Вейсс создают теорию, согласно которой в ферромагнитных металх — в железе, nickel и кobalte — существуют области, в которых магнитные поля отдельных atomов ориентированы стого параллельно друг другу. Так что суммарное магнитное поле такой области — ее называют доменом (от французского слова «domain» — область) — достаточно большое. Размеры этих области очень маленькие — порядка долей микрона, но в каждой из них уменьшается много сотен тысяч орентированных «элементарных магнитников». Сами домены распределены по металлу совершенноеxaотическая, так что в общном состоянии (в отсутствие внешнего магнитного поля) намагничность ферромагнитного образца равна нулю.
Когда такой образец помещается в магнитное поле, то происходит ориентация магнитных полей отдельных доменов вдоль внешнего поля, и образец в целом намагничается. А ориентировать целые домены легче, чем огромное количество отдельных «элементарных магнитников».
Вот так, грубо говоря, выглядела теория ферромагнетизма, предложенная Вейссом. Для того чтобы объяснить наличие доменов — наличие области с ориентированными «элементарными магнитками» — Вейсс предложил существование внутри металла особого магнитного поля, которое ориентирует магнитные поля внутри доменов. Это поле — Вейсс называет его молекулярным магнитным полем — по подсчетам Вейсса должно быть порядка 1000 T. Однако присходение этого поля было совершено неопонятою.
Чтобы обнаружить это огромное гипотетическое поле, профессор Яков Григорьевич Дорфман, в лаборатории которого я тогда работал в Ленинградском физico-техническом институте, продолжал такой опит. Он установил в магнитном поле тонкую железную фольгу так, что плоскость листочка фольги была параллельна индекции поля. Фольга очень сильно намагничилась. Сквозь фольгу, перpendикулярно ее поверхности, и следовательно, perpendикулярно внешнему магнитному полю, пропускался путем быстрых электронов, испускаемых радиоактивным источником, «вырезаемый» установленной перед фольгой щеллю (рисунок 2). За фольгой была установлена фотопластика. Провелевшие через фольгу электроны попадали на пластинку,
11
вызывая ее поеренение. Если, проходя фольгу, электроны попадают в громадное молекулярное поле, то оно должно привести к смешению положения поеренения на пластинке. Однако это смешение в эксперименте не наблюдаюсь. Отсюда следует, что если существуют такие силы, которые ориентируют «элеметарные магнитики» в отдельных доменах, то они не магнитные, потому что на движущейся электрон они практически не действуют.
И только в 1928 году Я. И. Френкель в Ленинградском физико-техническом институте и почти одновременно с ним немецкий физик Гейзенберг создали квантовомеханическую теорию ферромагнитизма. Они показали, что на самом деле никакого молекулярного поля нет. Силы, которые ориентируют «элеметарные магнитики» внутри доменов — электрические силы специфического характера. Их называют теперь обменными силами. Небольшая статья об этом была опубликована Френкелем в 1928 году в ионьском номере немецкого физического журнала «Zeitshrift für Physik», а в иольском номере этого же журнала появился подробная статья Гейзенберг. Так что независямо друг от друга они создали теорию ферромагнитизма. (В последствии Яков Ильич Френкель говорил мне, что он занялся ферромагнитизмом потому, что мы, экспериментаторы, постояно его «намагничивали»).
После создания теории ферромагнитизма появилось много работ, посвященных вопросам магнитизма в металлах. В частности, было показано, что, как и следует из теории, обменные силы могут возникать только в кристаллах. Жидких ферромагнитков быть не может. Было также показано, что вдоль разных направлений внутри кристалла обменные силы различны. Το есть было показано, что имеется резко выраженная анизотропия магнитных свойств ферромагнитных кристаллов. Это и сейчас имеет очень большое значение при создании новых магнитных материалов, на которых базируется вся электротехника. И трансформаторы, и генераторы, и электродвигатели — все сделаны из ферромагнитных материалов, и их характерistics существенно зависит от свойств самого ферромагнитного материала. Несколько позже теорию ферромагнитизма развили нашы выдающийся теоретический Лев Давыдович Ландду и его ученник Евгений Михайлович Лифшиц. Телерь современная теория ферромагнитизма целиком базируется на работах Френкеля, Гейзенберг, Ландду и Лифшиц.
Как я уже говорил, у нас на физico-mеханическом факультете были учебные семинары. Однако из таких семинаров был организован для студентов 4—5 курсов. Назывался этот семинар расчетным, и вел его наш профессор академик Владимир Алексадрович Фок. Проходил семинар несовсем облично. Фок придумывал какую-нибудь хитрую задачу, решения которой он сам не знал. И тут же у докси он вместе с нами (вернее, мы вместе с ним) начали решать ее. Так что мы могли наблюдать, так сказаны, «творческую кухню» такого замечательного теоретика, каким был В. А. Фок.
И вот мы видели, как он подходил к решению задачи: пробовал один способ — не получалось; он стирал с докси, пробовал другой способ — тоже не получалось. В конце концов, рано или поздно, решение отыскивалось. Иногда на этом же занятии, иногда на следующем. Мы видели не просто готовое решение, а как постепенно находились пути к этому решению. Это было очень почучитель-
12
но для нас. Однако на семинаре Владимира Александровича был такой случай. Решили мы какую-то сложную несимметриную задачу по электростатике. На первом семинаре мы решения не нашли, а на следующем, в конце концов, получили длинище дифференциальное уравнение. Оно занимало всю доку. За математические выкладками мы сделали очень внимательно, так что с математикой все было в порядке, а вот устотреть физический смысл скрытый за этой длиной формулой, мы не могли. Кто-то из студентов спросил Владимира Александровича: «А какой физический смысл имеет это уравнение?». Он на нас посмотрел с укром и сказал: «А физический смысл этого уравнения заключется в том, что оно имеет решение».
В А. Фок занимался различными проблемами теоретической физики. Но нарушу с этим он не гнушался решений прикладных задач, чисто практических. В частности, его привлекли геофизики для решения ряда задач о распределении электрического поля внутри Земли. Это решение было очень важным для геологической разведки. Фок решил эту задачу вместе с В. К. Фредериксом. Вообще, для всего стиля работы Ленинградского физического технического института было характерно, что нарушу с разработкой теоретических и экспериментальных проблем физики больше внимание уделялось решению этих прикладных задач, связанных с нуждами техники, промышленности и сельского хозяйства.
В 1930 году, когда я только что окончил институт и получил звание инженера-физика, по рекомендации А. Ф. Иоффе меня направили в командировку в Германию, чтобы ознакомиться с физическим laboratorийми запада. Я пробил в Германии около трех местев и смог познакомиться с работами физических laboratorий Лейпцига, Монхена, Гамбург. И нужно сказать, что я был очень удоблетворен, когда убедился, что уровень наших физков, в частности, мой собственный уровень, былничут не ниже уровня физков, с которым я встречался в laboratorиях за рубежом. Правда, они имели некоторые преимущество по сравнению с нами: их laboratorии были очень хорошо оснашены приборами. У нас в Советском Союзе не было еще тогда отечественного приборстроения, нам часто приходилось самим делать приборы, либо покупать их за рубежом, а это было трудно в те времена, когда больше средств затрачивались на развитие народного хозяйства. Но в смысле уровня знаний, уровня понимания, даже технически эксперимента мы находились, как я убедился, не ниже, чем самые крупные университетские laboratorии Германии.
Находясь в командировке, я около месца работы в laboratorии в Монхене, в бывшей laboratorии Рентгена. Там работали и университетские доктораны (так назывались у них заканчивающие университет студенты, которые готовят дипломные работ). Однако я заметил, что доктораны, готовясь к выпускным экзаменам, читают книгу Я. И. Френкеля «Курс электродинамики», изданную на немецком языке. Я спросил: «А кому вы сделете экзамены?», они ответили: «Зоммерфельду». Тому самому Зоммерфельду, крупнейшем теоретическому мирового класса, про которой у нас, когда мы были студентами, ходила поговорка «нет Бора кроме Бора, и Зоммерфельд его порок». Я знал, что имеется пятимый курс физики самого Зоммерфельда, и спросил, почему доктораны учат электродинамику не по Зоммерфельду, а по Френкелю. А потому, ответили они, что Зоммерфельд сказал, что он будет принять экзамен только по курсу Френкеля, поскольку лучше его курса в мире сейчас нет. Когда я сказал, что лично знаком с Френкелем, то почувствовал, что мой авторитет в их глазах резко возрос. А я испытал чувство истинной гордости за наших советских физков, заслуживших широкое признание в среде крупнейших теоретических мира.