Российские Нобелевские Лауреаты

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