Перейти в начало сайта Перейти в начало сайта
Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
Начало сайта / Раритетные издания / Цепная реакция идей
Начало сайта / Раритетные издания / Цепная реакция идей

Научные статьи

Физика звёзд

Физика микромира

Журналы

Природа

Наука и жизнь

Природа и люди

Техника – молодёжи

Нобелевские лауреаты

Премия по физике

Премия по химии

Премия по литературе

Премия по медицине

Премия по экономике

Премия мира

Книги

Во главе двух академий

Законы Паркинсона

Обычное в необычном (Энциклопедия чудес. Книга первая)

Пионеры атомного века

Ум хорошо...

Физики продолжают шутить

Издания НиТ

Батарейки и аккумуляторы

Охранные системы

Источники энергии

Свет и тепло

Научно-популярные статьи

Наука сегодня

Научные гипотезы

Теория относительности

История науки

Научные развлечения

Техника сегодня

История техники

Измерения в технике

Источники энергии

Наука и религия

Мир, в котором мы живём

Лит. творчество ученых

Человек и общество

Образование

Разное

Цепная реакция идей

Фёдор Кедров

Яков Ильич Френкель

Жизнь без иллюзий. Признание

Когда-то на семинаре Иоффе в Петрограде молодой теоретик Френкель увлеченно рассказывал о замечательных работах Резерфорда – основателя ядерной физики... Теперь Френкель стоял перед Резерфордом в скромном кабинете в Кевендишской лаборатории, и великий физик громким голосом беседовал с ним. Оказывается, он знаком с работами Френкеля и высоко их ценит.

Капица, представивший своего старого друга Резерфорду, был очень доволен, что кембриджский шеф так хорошо принял молодого ленинградского теоретика.

После беседы Резерфорд пригласил Френкеля осмотреть Кевендишскую лабораторию. Он всегда с величайшей гордостью показывал иностранцам свои пенаты.

Втроем они вошли в комнату, где работали молодые англичане Джон Кокрофт и Эрнст Уолтон. Френкель узнал здесь, что эти физики пытаются осуществить сенсационный эксперимент, конструируя высоковольтную экспериментальную установку для ускорения заряженных частиц – протонов.

Теперь этот первый в мире протонный ускоритель Кокрофта и Уолтона, созданный по идее Резерфорда, мирно покоится в Музее естественной истории в Лондоне.

Но тогда сам Резерфорд показывал эскизы будущей установки. Объяснив Френкелю назначение двух цилиндрических стеклянных колонок, из которых одна служила источником тока высокого напряжения (до 500 тысяч вольт), а другая – «атомной пушкой» (по ней пролетал пучок протонов, разогнанных в электрическом поле высокого напряжения), Резерфорд сказал:

– Атом всегда склонен вести себя не как источник энергии, а как «прорва», поглощающая энергию. Нужно израсходовать значительно больше энергии на расщепление атома, чем можно будет получить ее этим путем.

Джон Кокрофт не мог удержаться от возражений:

– Нет, сэр, я не сомневаюсь, что в будущем найдут пути использования атомной энергии. Энергия для расщепления атомов будет несравненно меньше, чем получаемая при этом гигантская энергия.

Спор между великим Резерфордом, не верившим в возможность использования атомной энергии для практических нужд, и Кокрофтом шел давно. Позиция Кокрофта в этом споре была более слабой, чем позиция Резерфорда, Кокрофт опирался в основном на интуицию. Беседа, свидетелем которой он оказался, произвела на Френкеля сильнейшее впечатление. Не исключено, что именно она дала толчок новому направлению мысли. Спустя много лет Френкель создал свою знаменитую электрокапиллярную теорию деления тяжелых ядер.

После открытия атомного ядра и искусственного расщепления легких ядер – оба открытия принадлежали Резерфорду – предстояло решить еще одну задачу – развить теорию ядерных явлений. Без этого нельзя было рассчитывать на осуществление цепной реакции в ядрах атомов тяжелых элементов.

Первым советским физиком-теоретиком, занявшимся проблемами ядерной физики и достигшим весьма важных результатов, был Яков Ильич Френкель.

Ядерная физика не была единственным объектом теоретических исследований Френкеля. Ему принадлежат крупнейшие открытия и в других важнейших областях.

Френкель – один из выдающихся основателей советской теоретической физики. Своими работами он внес ценный вклад в советскую и мировую науку и содействовал успехам современной теоретической физики.

Яков Ильич Френкель родился 10 февраля 1894 года на юге России в Ростове-на-Дону. В раннем детстве он проявил способности к музыке и поэтому его обучали игре на скрипке. В двенадцать лет стал заниматься живописью. Увлечение музыкой и живописью ученый сохранил на всю жизнь.

Математика и физика захватили Френкеля, когда он учился в гимназии в Петербурге, куда переехала семья. Будучи гимназистом, он написал две обширные работы по математике и по физике (теория происхождения атмосферного электричества). Хотя оба сочинения были незрелыми, они свидетельствовали о бесспорной одаренности юного автора. В 1913 году Френкель окончил гимназию с золотой медалью. Спустя три года он завершил образование в Петербургском университете, окончив физико-математический факультет по «математическому разряду».

Летом 1916 года известный петроградский физик Абрам Федорович Иоффе организовал в своей лаборатории в Политехническом институте семинар по проблемам физики. В нем принял участие Френкель. Вместе с другими начинающими учеными, в том числе П.Л. Капицей и Н.Н. Семеновым, Френкель участвовал в дискуссиях, составлял обзорные рефераты по статьям, публиковавшимся в научных журналах, делал доклады. Выступающие на семинаре, разумеется, могли без всякого стеснения высказывать свои мысли и взгляды на обсуждавшиеся проблемы, бурно выражать свои восторги, как и свое неудовольствие, иронизировать над авторитетами. Иногда дискуссии затягивались до полуночи.

В начале 1917 года семья Френкелей переехала в Ялту. Сам он остался в Петрограде.

С 1918 по 1921 год Яков Ильич жил в Крыму вместе с родителями. Он был избран приват-доцентом созданного в 1918 году Таврического университета. Среди студентов, посещавших его лекции по физике, были И.В. Курчатов и К.Д. Синельников – в будущем известные ученые-физики.

С 1919 года ассистентом кафедры физики работал только что окончивший Московский университет теоретик Игорь Евгеньевич Тамм.

Жизнь преподавателей и студентов в голодающем Крыму была очень трудной. После лекций они на равных условиях получали бесплатный «обед» – неизменный суп из перловой крупы, прозванной иронически шрапнелью, в котором плавали 2...3 микроскопические рыбки-тюльки.

Каждому полагался также хлебный паек – 200 граммов в день. Помещения зимой совершенно не отапливались, и комнаты были пропитаны сыростью и холодом. Об электрическом освещении почти забыли. Повсюду пользовались примитивными коптилками.

Френкель в этот период подружился с Таммом; оба, несмотря на суровые условия быта, сумели сохранить оптимизм. Дружба их продолжалась всю жизнь до самой смерти Френкеля.

Тамм писал о Френкеле: «Это был живой, общительный, увлекающийся, необычайно разносторонний человек. Наряду с наукой, он находил время и для игры на скрипке, и для живописи (сохранился целый ряд написанных им картин и портретов друзей и знакомых); он не только обладал своеобразным обаянием, покорявшим даже мало знакомых с ним людей, но отличался и необыкновенной душевной теплотой и был на редкость добрым человеком, в подлинном, самом лучшем смысле этого слова».

Френкель, каким его рисует Тамм, уже зрелый человек с жизненным опытом, высоко ценимый за свой талант и человеческие черты.

В начале 1921 года Френкель по вызову А.Ф. Иоффе вернулся в Петроград уже с женой, С.И. Гординой, бывшей студенткой Таврического университета. Уезжая из Симферополя, он обещал похлопотать в Петрограде о помощи бедствующим профессорам и студентам Таврического университета. Для этого Френкель встретился с Максимом Горьким в его квартире на Кронверкской. Однако положение в Петрограде было не лучше, чем в Крыму.

Бывшая студентка физико-механического факультета Е.Д. Девяткова вспоминает о зиме 1921...1922 года: «Топлива практически не было, и учебные помещения не отапливались. По этой причине с января до апреля 1922 года занятия были прекращены и второй семестр перенесен на летние месяцы. Отдельные занятия со студентами физико-механиками проводились в сравнительно небольшой комнате – канцелярии факультета, в середине которой была сложена кирпичная печка с выводом трубы прямо через форточку. Дежурный студент должен был заранее приходить и растапливать печку. Поскольку дрова были сырыми, на занятиях часто приходилось сидеть в густом дыму. С осени 1922 года с отоплением стало несколько лучше».

К этому стоит добавить, что студенты были полуголодными, не имели учебников – нелегко было в такой обстановке доносить до них премудрости физики. Но зато оптимизма ни профессору, ни слушателям было не занимать – на нем все и держалось.

Френкель, как и другие профессора, большей частью читал совершенно новые курсы. Е.Д. Девяткова замечает, что особенно много заниматься приходилось по предметам Френкеля.

На студенческом семинаре Я.И. Френкеля студенты делали доклады по журнальным статьям. Главным образом это были экспериментальные исследования немецких ученых в области электронных и ионных явлений в вакууме и в газах, продолжавших работы Томсона и Резерфорда в Кембридже в конце прошлого века. Теоретических работ не было. Курса ядерной физики не читали, хотя к этому времени за границей было уже опубликовано много работ Резерфорда, Бора и других исследователей атомного ядра.

Френкелю пришлось создавать теоретическую физику в нашей стране, преодолевая некоторое предубеждение к теоретикам, в том числе и со стороны даже кое-кого из крупных ученых.

Приглашая Я.И. Френкеля в свой институт, А.Ф. Иоффе проявил определенную дальновидность, хотя сам в то время недооценивал теоретическую физику. Тогда Иоффе казалось достаточным иметь в штате крупного научного института одного теоретика. Но это было, конечно, заблуждение, каких немало находим мы в биографиях выдающихся ученых. В то же время сам Иоффе глубоко понимал теорию тех явлений, которые исследовал и изучал. Он дожил до небывалого расцвета теоретической физики и, в частности, до торжества теоретических идей своего ближайшего сотрудника Френкеля.

Долгие годы Френкель был единственным теоретиком в Физико-техническом институте, где работали десятки экспериментаторов и значительный персонал инженерно-технических специалистов.

Но наступила эра, когда теоретики стали указывать пути экспериментаторам. Например, в ядерной физике Френкель и другие теоретики в разных странах создали теоретические представления о механизме деления ядер. После этого экспериментаторы открыли цепную ядерную реакцию и вступили на путь, увенчавшийся овладением ядерной энергией.

Иоффе, как вспоминает академик И.В. Обреимов, в те времена, когда Френкель начал работу в Ленинграде, признавал профессию физика-теоретика очень полезной, но говорил, что теоретик не мыслитель, а вычислитель. Разумеется, в последующие годы прогресс теоретической физики, как и совместная работа с Френкелем, убедили его в неправоте этой точки зрения.

Френкель как физик-теоретик был одним из интереснейших мыслителей, постоянно анализирующих природу сложнейших явлений и процессов, постоянно стремящихся проникнуть в тайны, которые несет в себе загадочная и недоступная Природа.

Профессор Ф.Ф. Волькенштейн, вспоминая заседания физтеховского семинара в Политехническом институте, студентом которого он был, писал: «Яков Ильич Френкель, более чем кто-либо другой, наполнял эти заседания фейерверком мыслей, неожиданными ассоциациями, блестящими выдумками».

В течение 3...4-х лет Френкель опубликовал несколько книг: «Строение материи» (1921), «Теория относительности» (1923), «Электрическая теория твердых тел» (1924).

Осенью 1925 года благодаря содействию Пауля Эренфеста Френкель уехал на год в заграничную научную командировку. Он знакомился с постановкой дела в Геттингенском и других немецких университетах.

В Геттингене Я.И. Френкель работал у известного теоретика Макса Борна – одного из основателей квантовой механики. В то время здесь находилось несколько молодых советских ученых: С.И. Вавилов, П.Л. Капица (приехавший из Кембриджа), Ю.А. Крутков, В.Н. Кондратьев (стажировавшийся у Джеймса Франка).

Это был период небывалого подъема теоретической физики, время рождения квантовой механики. Позднее новой науке посвятили долгие годы работы Я.И. Френкель и П.Е. Тамм.

Спустя много лет – в 1961 году – Борн писал о Френкеле: «Френкель был моим сотрудником в Геттингене в двадцатых годах, и я высоко ценил его. Он был буквально заполнен идеями и вместе с тем превосходно владел всей техникой теоретической физики. Хотя его идеи были иногда довольно странными, они всегда были плодотворными. Я с большим интересом знакомился также и с его последующими статьями и книгами. Его ранняя смерть причинила мне большое огорчение».

...20 ноября 1925 года в полдень Френкель подымался по лестнице дома №5 по Габерландштрассе в Берлине. Он заметно волновался... И вот он в рабочем кабинете великого ученого.

Эйнштейн в вязаном жилете, без пиджака, в изрядно потертых брюках и в сандалиях на босу ногу с большим вниманием выслушал молодого человека.

В течение двух часов Френкель излагал соображения, которые должны были составить основу его доклада на семинаре. Когда в беседе были затронуты некоторые другие вопросы, связанные с квантовой теорией, Эйнштейн резюмировал свое отношение к ней словами: «Положение отчаянное, ничего понять невозможно!».

Через несколько дней Френкель пришел на семинар в физической аудитории Берлинского университета. Председательское место занимал Макс фон Лауэ, ученик Макса Планка. Несколько лет до этого Яков Ильич с большим интересом знакомился с выдающимися работами Планка по термодинамике излучения, а теперь увидел здесь самого автора. Макс Планк, хорошо знакомый физикам по портретам, невысокого роста, с лысой головой и небольшими черными усами, в металлических очках, сидел в первом ряду. С ним о чем-то говорил Альберт Эйнштейн – с седеющей гривой длинных волос и погасшей трубкой во рту. В пожилом человеке, одетом в старомодный сюртук и белый жилет со звездой на лацкане, Френкель узнал физика Вальтера Нернста – он был известен еще и как изобретатель «лампочек Нернста» и рояля Нернста – Бехштейна.

Места в аудитории занимали и физики менее высокого ранга, студенты. Среди многих участников было всего несколько женщин. Чтобы проникнуть сюда, им понадобилось заручиться специальным разрешением администрации университета. В числе других была и скромная ассистентка Лизы Мейтнер. Впоследствии эта выдающаяся исследовательница прославилась тем, что вместе с профессором института Кайзера Вильгельма в Берлине Отто Ганом, учеником Резерфорда, объяснила деление урана.

На этом семинаре Френкель изложил свою теорию электропроводности металлов. Иоффе, сидевший в первом ряду, время от времени одобрительно кивал головой. Доклад Френкеля и реакция аудитории явно доставляли ему удовольствие.

После доклада начались прения. Эйнштейн сказал краткую речь, подчеркнув, что «соображения Френкеля совершенно правильны, а результаты весьма замечательны».

Из Германии Френкель выехал в Англию и побывал в Кембриджском университете, где работавший в то время П.Л. Капица познакомил его с Кевендишской лабораторией и ее руководителем Эрнестом Резерфордом. В Париже Яков Ильич посетил Институт радия, где познакомился с Мари Кюри, Фредериком Жолио-Кюри и Полем Ланжевеном.

В 1927 году Яков Ильич был делегатом Международного физического конгресса в итальянском городе Комо, посвященном памяти Александра Вольты.

На конгрессе присутствовали крупнейшие теоретики и экспериментаторы разных поколений. Были здесь знаменитые датчанин Нильс Бор и немец Арнольд Зоммерфельд, а также совсем молодой итальянский теоретик Энрико Ферми.

Между прочим через несколько лет Френкель встретился с Зоммерфельдом в Одессе, где происходил Первый Всесоюзный физический съезд (август 1930). Зоммерфельд, Вольфганг Паули и другие крупные иностранные физики были гостями съезда. Зоммерфельд попросил Френкеля перевести его обзорный доклад по квантовой теории металлов. Яков Ильич, конечно, согласился. Он сам был прекрасно осведомлен о работах Зоммерфельда и других ученых в этой области. Переводя доклад, Френкель комментировал некоторые мысли Зоммерфельда и писал формулы, поясняя ход рассуждения и упрощая более сложные математические выражения, представляемые докладчиком. После окончания доклада Зоммерфельд горячо поблагодарил Френкеля и, указывая на формулы, написанные на доске, добавил: «Я сам узнал много полезного для себя, чего ранее и не подозревал».

Направляясь из Берлина на конгресс в Комо – маленький городок в северной Италии, Френкель побывал проездом в «вечном городе» – Риме. Со свойственной ему жаждой познания он постарался за короткое время ознакомиться со многими достопримечательностями искусства и архитектуры.

Однако радость встречи с великим искусством была омрачена: в Италии этого периода утверждался фашизм. Тупая жестокость, подавление свободомыслия, репрессии становились нормой жизни в стране, давшей миру столько шедевров искусства.

Френкель несколько раз побывал на экскурсиях, устраивавшихся для делегатов конгресса. Но он решительно отказался пойти на прием, устроенный диктатором Муссолини для участников конгресса. Френкель также категорически отказался отправиться на прием к губернатору Рима и не присутствовал на аудиенции, которую дал папа Пий XI делегатам конгресса.

В начале октября 1927 года Френкель вернулся из Италии на родину. В его портфеле были записки и оттиски статей, свидетельствующие об успехах молодой науки – квантовой механики.

В 1930 году Френкель побывал в США, куда он был приглашен в качестве «гостевого профессора» Миннеаполисского университета. В этот период Яков Ильич читал лекции в американских университетах, знакомился с научно-исследовательскими физическими институтами и участвовал в научных конференциях нескольких штатов.

Многие исследования Френкеля быстро завоевывали широкое признание. Кроме электронной теории металлов, теории жидких тел и других, мировую известность получили «экситоны Френкеля» и его работы по теории ядра, выполненные в тридцатых годах.

Экситоны, статистическая модель ядра, капельное деление тяжелых ядер могут служить яркими примерами научного творчества Френкеля. Конечно, они недостаточны, для того чтобы дать представление о широком круге выполненных им работ в различных областях теоретической физики.

Современная теоретическая физика – область научного творчества Я.И. Френкеля – занимает исключительное место в физике, простираясь на все ее разделы, или, как мы говорим, на все физические науки. Академик В.Л. Гинзбург указывал, что теоретическая физика, конечно, не стоит над всей физикой и немыслима без эксперимента. Но именно теоретическая физика играет связующую роль. Фактически ею в основном занимались Ньютон, Максвелл и другие великие ученые.

Со времени Ньютона и Максвелла роль теоретической физики в развитии науки непрерывно росла. Вся первая половина XX века, когда физика стала важнейшей наукой, определяющей прогресс человечества, проходила под знаком идей двух великих физиков-теоретиков Альберта Эйнштейна и Нильса Бора, основателей теории относительности и квантовой механики. Без этих двух теоретических учений физика нашего времени не достигла бы вершин, и мы с вами не стали бы свидетелями грандиозных успехов техники и технологии.

В принципе теоретическая физика, благодаря единству методов и идей может быть доступна одному человеку, овладевшему этими методами и идеями. Фактически же из-за огромного расширения объема теоретической физики большинство теоретиков стали работать в отдельных областях, т.е. ограничили себя определенной специализацией.

Научные труды Френкеля охватывают большое количество актуальнейших областей физики. Они представляют собой важные и выдающиеся открытия и свидетельствуют о глубоком проникновении их автора в современные методы и идеи физики.

Френкель как физик-теоретик с самого начала вступления на путь ученого заинтересовался теми проблемами, которые были наиболее актуальными для науки его времени и, вероятно, всего века. Многие из них до сих пор не утратили своей актуальности и еще не решены полностью.

К началу нашего века исследования электричества и электромагнетизма, оптических явлений, газовой динамики создали почву для возникновения новых идей в области молекулярного строения вещества, в частности строения твердого тела и жидкостей, оптических и электрических явлений, происходящих в веществе.

Эти области привлекли внимание Френкеля благодаря тому, что казались сложными и даже недоступными для физика-экспериментатора, в то время как было очевидно, что они призваны сыграть первостепенную роль в развитии физики. Речь идет не только о том, что исследователи не обладали необходимыми средствами для экспериментирования, но не существовало квантовой механики, с помощью которой позднее ученые разрешили многие сложные проблемы вещества.

Теоретические работы Френкеля объясняли многие физические процессы в свете квантовомеханических идей, разработанных после Бора многими учеными, в том числе Полем Дираком и Максом Борном, у которого Френкель работал в Геттингене, Луи де Бройлем, Эрвином Шредингером и Вернером Гейзенбергом. Эти процессы не могли быть удовлетворительно объяснены с помощью классической ньютоновой механики.

Особенно это относится к структуре жидких и твердых тел. Френкель создает квантовую теорию металлов, утверждающую, что в металле электроны находятся в квантовых состояниях и постоянно меняются местами. На основе этой теории были сделаны открытия исключительной важности. Они обогатили наши знания структурных процессов и привели к крупным техническим достижениям.

Теория экситонов Френкеля дала новое направление в развитии основных представлений физики твердого тела. «Экситоны Френкеля» – это понятие, известное всем физикам мира, как термины «фотон» (квант света) и «фонон» (квант звука), предложенные академиком И.Е. Таммом. И.Е. Тамм называет Френкеля «крестным отцом» фонона.

Перед нами целая серия частиц квантового мира, в которую входит и экситон Френкеля. Но это совсем не такие частицы, как атом, молекула, ион, составляющие структуру вещества.

В конденсированном веществе (например в твердом теле) существуют физические явления, которые физики называют волнами возбуждения. Такие волны возбуждения бывают нескольких видов. Голландский ученый Питер Дебай ввел представление об упругих (звуковых) волнах, связанных с упругими колебаниями атомов в кристаллической решетке.

Любое возбуждение, переданное от атома к атому решетки, не локализуется здесь, а воспринимается всей решеткой в виде волны возбуждения.

Квантовая механика показывает, что любое движение обладает корпускулярно-волновым свойством. Свет можно рассматривать как волны и поток частиц – квантов света (фотонов).

Волны возбуждения, возникающие в кристалле, тоже подчиняются этому закону – они, как говорят, квантуются, т.е. передаются в виде отдельных порций, а именно фотонами, фононами и экситонами. Чтобы не смешивать их со структурными частицами, например с атомами, молекулами, ученые, занимающиеся физикой твердого тела, условились называть их квазичастицами (т.е. «почти частицами»). Законы движения квазичастиц подобны законам обычных частиц (хотя могут быть и сложнее). Но в противоположность обычным частицам квазичастнцы не могут появиться в вакууме. Они возникают лишь в некоторой среде, так как сами не представляют собой строительного материала, а являются лишь носителями движения. В этом главное различие между частицами и квазичастицами, другие свойства тех и других могут совпадать.

Читатели видят, как много предварительных сведений, считающихся у физиков элементарными, нужно сообщить лишь для того, чтобы приступить к объяснению «экситонов Френкеля».

Экситоны Френкеля – это еще один крайне важный и широко распространенный тип возбуждений в полупроводниках и диэлектриках, т.е. в веществах, получивших широкое применение в науке и технике. Сразу скажем, что идея Френкеля об экситонах и математически тщательно разработанная теория движения экситонов и позволили полупроводникам и диэлектрикам занять такое выдающееся положение, что о них знают теперь многие люди даже далекие по своим интересам от науки.

Для того чтобы пояснить идею Френкеля, надо напомнить о теории внешнего фотоэффекта, разработанной А. Эйнштейном еще в 1905 году. Эйнштейн ввел понятие кванта света – фотона; но сам термин «квазичастица» (фотон – первая известная в науке квазичастица) появился в физике гораздо позже. Фотоэффект заключается в том, что в веществе под действием света появляется электрический ток. Говорят, что в этом случае в веществе возникает фотопроводимость, т.е. вещество оказывается проводником электрического тока, возбужденного действием на него света или при поглощении им света, что одно и то же.

Френкель высказал идею, что кристаллы некоторых диэлектриков, т.е. веществ, не проводящих или плохо проводящих электрический ток, могут поглощать свет (причем поглощают свет именно электроны вещества), не становясь при этом проводниками. В этом случае не появляются свободные электроны, т.е. электрический ток, а происходит возбуждение нейтрального атома. Это возбуждение, возникшее где-либо в веществе, не остается неподвижным, а перемещается прямолинейно и равномерно вдоль того или иного ряда атомов, как некоторая частица, которую Френкель и назвал экситоном (квантом возбуждения).

Когда у Френкеля возникла эта идея, еще не существовал термин «квазичастица», но сейчас можно было бы так квалифицировать теоретическое открытие Френкеля. Экситон Френкеля – это квазичастица, переносящая в кристаллической решетке электронное квантовое возбуждение, которое возникает под влиянием поглощения светового кванта (фотона). Это возбуждение, не сопровождающееся возникновением электрического тока, Френкель назвал «оптическим» возбуждением в отличие от возбуждения, при котором возникает свободный электрон (отрывающийся от атома). При возникновении свободных электронов возможна фотопроводимость кристалла. Экситоны создаются за счет фотонов, поглощающихся веществом, и поэтому Френкель не мог назвать открытую им квазичастицу просто квантом. Это могло бы вызвать путаницу в понятиях между новой квазичастицей и световым квантом.

Спустя 35 лет после этого открытия Френкеля, в 1966 году, физики прочли сообщение о том, что Ленинскую премию получила группа ученых «за теоретическое и экспериментальное исследование экситонов».

В хроникальной заметке «Присуждение Ленинской премии 1966 года» («Успехи физических наук», т. 89, вып. 3) подчеркивалось, что «идея экситона, выдвинутая впервые Я.И. Френкелем для интерпретации механизма поглощения света кристаллами, оказалась необычайно гибкой и плодотворной».

Теория экситонов, начало которой положил Френкель, в последующие годы продолжала плодотворно развиваться, проникая во многие области и получая практическое применение.

Сразу после опубликования Френкелем статьи «О превращении света в тепло в твердых телах», в которой он впервые предложил понятие «экситон» (1931 год), идея Френкеля обратила на себя внимание ряда крупных физиков-теоретиков и экспериментаторов различных стран. Появились статьи об экситонах Р. Пайерлса в Германии, В. Шокли и Д. Олетера, а также Г. Ванье в США, Н. Мотта в Англии. Идеей Френкеля заинтересовались также ученые-теоретики, такие, как Джеймс Франк из Геттингенского университета и Эдвард Теллер (получивший впоследствии широкую известность как один из создателей атомного и термоядерного оружия).

Многие экспериментаторы обращались к гипотезе об экситоне как носителе энергии для объяснения тех или иных физических явлений. Например, роль экситона принималась во внимание при объяснении внешнего и внутреннего фотоэффекта.

Вопрос о том, действительно ли существует такая квазичастица в кристаллах, долго не находил ответа. Существование экситонов было позднее доказано при изучении оптических явлений в кристаллах.

Лауреат Ленинской премии, присужденной в 1966 году за исследования экситонов, ленинградский физик, член-корреспондент Академии наук СССР Евгений Федорович Гросс еще в 1952 году писал, что экситон действительно существует и его спектр есть спектр бегущего в кристалле возбуждения (экситоны были экспериментально открыты спектроскопистами). Экситонные спектры позволяют широко изучать физические явления в кристаллах. Теперь они составляют целую главу физики твердого тела. По мнению Е.Ф. Гросса, экситонные спектры в спектроскопии твердого тела могут дать для изучения энергетической структуры твердого тела столько же, сколько атомная спектроскопия дала для изучения строения отдельного свободного атома. Другими словами, экситонная спектроскопия представляет собой одно из крупнейших достижений физики.

Так, теоретическое открытие Френкеля, пройдя сложный путь развития, оказалось не только вкладом в постижение процессов в кристаллической решетке, но и стало важным орудием экспериментальных исследований в физике твердого тела – в этом обширном разделе науки, роль которого в наше время необычайно велика и разнообразна.

Е.Ф. Гросс начал экспериментальные поиски экситонов еще при жизни Я.И. Френкеля и некоторое время мог обсуждать свои результаты с Яковом Ильичом.

Е.Ф. Гросс сказал автору этой книги: «Я никогда не забуду, как несколько молодых физиков-экспериментаторов Физтеха, в числе которых был и я, решили проверить на опыте, существуют ли в действительности экситоны Френкеля. После серии опытов, давших положительные результаты, я как-то встретил в коридоре института Якова Ильича. Я сказал ему; – Яков Ильич, мы обнаружили новые явления.

Кажется, ваш экситон можно считать экспериментально доказанным.

Френкель всплеснул руками.

– Что вы говорите! Это поразительно. Приду к вам в лабораторию. Сейчас, к сожалению, не могу. Спешу на лекцию в Политехнический.

Он уже не смог прийти к нам в лабораторию. Скоро он умер. Я шел в похоронной процессии и думал о том, как радовался бы он, слушая объяснения опытов, подтвердивших существование экситонов».

Квазичастицы – экситоны, теоретически предсказанные Френкелем и экспериментально открытые Е.Ф. Гроссом – двумя советскими физиками, быстро заинтересовали исследовательские институты различных стран. Подобно цепной реакции, они порождали все новые и новые исследования, помогая ученым решить сложные проблемы физики твердого тела.

Френкеля к этому времени уже не было в живых. Но он имел счастье одним из первых узнать об экспериментальном открытии экситонов и бурно выразить свое удовольствие по этому поводу.

Френкель не стеснялся проявлять свою радость в таких случаях. Все знали, что он придавал большое значение соответствию между созданной им теоретической картиной (А.Ф. Иоффе называл теоретические построения Френкеля «интуицией, облеченной в математическую форму») и характером наблюдаемых экспериментально явлений. Правда, не всякое расхождение теории с результатами опыта он воспринимал как противоречие.

Профессор Ф.Ф. Волькенштейн, участник студенческих семинаров в Физико-техническом институте, писал; «Нередко между Абрамом Федоровичем и Яковом Ильичом возникали острые «пикировки», за которыми мы (студенты. – Ф. К.) следили с волнением. Обычно Абрам Федорович прерывал Якова Ильича и смущенно замечал, что такие-то экспериментальные данные находятся в полном противоречии с теорией Френкеля. Это, однако, ни в малейшей мере не смущало самого Якова Ильича. Немедленно вводились поправки, уточнения, которые выправляли теорию в нужном направлении».

Но прямое подтверждение экспериментаторами его теории было всегда кульминационным моментом, которого Френкель ждал с нетерпением, никому в этом, правда, не признаваясь.

Необходимость подтверждения его теорий экспериментами вызывалась почти во всех случаях и особенно в любимых Френкелем областях, рассматривающих физические явления, связанные со структурой вещества и происходящими в нем физическими явлениями на уровне молекул.

В тридцатых годах многие физики, занимавшиеся молекулярной физикой, переходили к исследованиям атома и ядра. Из Ленинградского физико-технического института, где долгие годы изучали свойства полупроводников и диэлектриков, а также различные вопросы молекулярной физики, естественно, вышли почти все первые крупнейшие советские физики-атомники. Среди них был и академик И.В. Курчатов. Впоследствии он руководил всеми научными работами по атомной проблеме в нашей стране. В области молекулярной физики начинали свою деятельность академики А.П. Александров, Ю.Б. Харитон, И.К. Кикоин, Л.А. Арцимович и многие другие наиболее видные участники атомных исследований.

Для того чтобы сделать решительный шаг в ядерной физике, которая к середине века приобрела наибольшее значение из всех физических наук, пришлось сконцентрировать все физические (и не только физические) знания, полученные человеком в XIX и XX веке.

Вскоре после того, как физики впервые обратили внимание на процессы, происходящие в ядрах атомов, и тем более.. когда возникли первые предположения о гигантских энергетических ресурсах ядер (а такие предположения высказывали Кюри, Резерфорд, Содди и многие другие ученые еще в начале XX века), стало ясно, что эти проблемы очень сложны. Для решения их необходимо было не только сконцентрировать знания, но и объединить ученых в мощные коллективы, поставив перед ними трудно выполнимые специальные задания. Во всей истории ядерной фпзики и атомной энергетики как нельзя лучше проявилась исключительная ценность теоретических идей, которые часто указывали экспериментаторам, что им нужно делать, чтобы добиться существенного прогресса в этой области.

Ядерная проблема требовала участия в общей работе многих выдающихся ученых (не говоря уже о грандиозных контингентах рядовых исследователей и технического персонала). Можно уверенно сказать, что из крупнейших современных физиков, игравших решающую роль в исследовании ядра и ядерных процессов, многие по своему дарованию не уступали таким великим ученым прошлого, как Ньютон, Фарадей, Максвелл, Галилей, а некоторые и превосходили этих людей, прославленных всемирной историей.

Не говоря уже о больших общих и принципиальных теоретических и экспериментальных проблемах универсального характера, многие даже сравнительно узкие задачи могли быть решены только очень одаренными, оригинально мыслящими учеными.

Френкель заинтересовался теоретическими вопросами ядерной физики в начале тридцатых годов, но только в 1936 году он, впервые выступая в прениях по докладу Нильса Бора, изложил свою идею о капельной модели ядра.

Первая статья Френкеля по ядерной физике была опубликована осенью 1936 года харьковским журналом «Физический журнал Советского Союза», где печатались статьи на немецком и английском языках.

Эта и последующие статьи Френкеля привлекли внимание специалистов. Однако тогда еще вопросы деления тяжелых ядер (а Френкель именно первым высказал мысль о принципиальной возможности такого деления) не вызвали такой сенсации, какой они сопровождались несколько позже. Теперь, оглядываясь назад и окидывая взором триумфальные успехи в области ядерной физики и атомной энергии, можно сказать уверенно, что работы Френкеля имели огромное значение для прогресса физики последних 20...30 лет.

Открытие Чадвиком в начале тридцатых годов нейтрона начинало новую эпоху в физике и технике. Вскоре после этого американский ученый Карл Андерсон обнаружил в космических лучах ранее неизвестную частицу – позитрон с такой же массой, как у электрона, но с противоположным знаком электрического заряда. Появилась первая античастица (термин «античастица» возник гораздо позже) в списке, ныне включающем также антипротон, антинейтрон и другие античастицы и частицы (всего их более 200).

Открытия Чадвика, Андерсона и других ученых, тока еще немногих специалистов по ядерной физике, привлекли внимание к этой области более широкого круга исследователей. Тогда же, в 1930 году, по инициативе А.Ф. Иоффе, обладавшего удивительным «чутьем» не только по отношению к людям, но и к физическим открытиям, была создана группа экспериментаторов для работы по физике атомного ядра. Сотрудники нескольких лабораторий приступили к исследованиям. Некоторыми из них руководили И.В. Курчатов и Д.В. Скобельцын, впоследствии известные ученые-академики. Начал работу и теоретический семинар во главе с Френкелем. Результаты первых работ были опубликованы.

В следующем 1931 году накопилось уже достаточно материалов, и поэтому в Ленинграде была созвана Первая Всесоюзная конференция по атомному ядру. Ее приурочили к 15-летию со дня основания Физико-технического института.

Конечно, и в Москве и Харькове ядерная физика также включается в тематику крупных, хорошо оснащенных научно-исследовательских институтов.

Френкель внимательно следит за этими работами. Он замечает, как иностранные физики, среди которых многих он хорошо знает лично, перешли от других вопросов к работам в области ядра. Да и в его институте уже наметился такой переход.

В институте инициатива прежде всего была проявлена экспериментаторами. Первые работы в области ядра принадлежали им. Но вскоре понадобилось привлечь к исследованиям теоретиков.

И.Н. Головин в своей книге приводит «обращение» Курчатова к своим сотрудникам в Физико-техническом институте, в котором между прочим есть такие слова: «Не наше дело абстрактные теории проверять. Мы будем на опытах изучать ядро, его особенности. Если и обнаружим что-то непонятное, попросим теоретиков – Френкеля, Тамма, Ландау – призадуматься и создать общую странную картину явлений. Ведь нейтрон еще совсем не изучен. А если он в любое ядро проникает, то у него великое будущее».

Но Френкель не ждал сигнала экспериментаторов. Он уже понимал, что физика стоит на пороге новых возможностей овладения атомной энергией при помощи нейтрона и серьезно занялся проблемами ядерной физики.

В тридцатых годах Я.И. Френкель и Нильс Бор впервые указали на возможность применения статистических методов к ядру. Физики-теоретики получили возможность осуществить новые важные исследования. Исходя из идей Френкеля – Бора Г. Бете исследовал распределение ядерных уровней по энергиям. Но Бете рассматривал ядро как идеальный газ. Это было неверно, так как в ядре существовало сильное взаимодействие частиц. Л.Д. Ландау (впоследствии лауреат Нобелевской премии) в 1937 году опубликовал статистическую теорию ядер, в которой рассматривал ядро как квантовую жидкость, а не идеальный газ. В работе Ландау благодаря применению статистических методов удалось получить ряд важных соотношений, характеризующих тяжелые ядра.

Весной 1934 года Френкель встретился в Ленинграде с Нильсом Бором и обсуждал с ним вопросы быстро развивающейся в то время теории ядра. Затем они встретились в Москве и вместе поехали в Харьков на конференцию по теоретической физике.

В различных странах с большой интенсивностью велись теоретические и экспериментальные работы по ядерной физике, в результате которых были сделаны важные открытия, предвещающие новую эпоху в физике и технике. Из экспериментальных открытий можно упомянуть об исторических опытах Энрико Ферми по облучению элементов нейтронами и открытие эффекта замедления нейтронов в парафине, графите и тяжелой воде, получившего в физике название эффекта Ферми и сыгравшего важную роль в разработке способов выделения ядерной (атомной) энергии. С не меньшей интенсивностью работали и физики-теоретики, осмысливая огромный материал, накопившийся у экспериментаторов.

В марте 1936 года на сессии Академии наук Френкель, выступая в прениях по докладу И.Е. Тамма, посвященному теории атомного ядра, предложил свою статистическую модель ядра. Примерно за две недели до этого выступления в английском журнале «Нейчер» была опубликована теория компаунд-ядра Н. Бора. Френкель рассматривал ядро как твердое или жидкое тело, состоящее из большого количества связанных друг с другом частиц. Энергию, возникающую в такой системе при захвате нейтрона, можно представить себе как тепловую энергию этого ядра, а процесс захвата нейтрона – как своеобразную его адсорбцию, сопровождающуюся нагревом сложного компаунд-ядра с последующим испарением из него нейтрона, протона или частицы. Основываясь на этой аналогии, он ввел понятие температуры ядра и позднее в других статьях облек свои идеи в математическую форму. Эти идеи получили признание и развитие, в частности, в работах самого Бора, а также в работах Л.Д. Ландау и В. Вейскопфа и Г. Бете.

Летом 1937 года Нильс Бор снова приехал в Москву и в своих лекциях уже пытался дать прогноз относительно практического использования ядерной энергии, в том числе и в виде оружия. Знаменательно было и то, что Бор, как и некоторые другие ученые, в частности и Френкель, уже серьезно рассматривали вопрос об атомной энергии. Френкель в своих лекциях довольно подробно излагал этот вопрос.

В начале Великой Отечественной войны Ленинградский физико-технический институт, где продолжал работать Френкель, эвакуировался в Казань.

Сорокасемилетний ученый решил пойти добровольцем на фронт, где находились уже многие его ученики и молодые сотрудники института. Военком, возвращая ему заявление, сказал: «Профессор Френкель, подумайте сами, где вы будете полезнее? На фронте мы сможем использовать только ваши руки. Ваши знания нужны нам больше».

В период эвакуации в крайне суровых условиях жизни Френкель продолжал вести научную работу в институте, совмещая ее с чтением лекций студентам Казанского университета. Он также выезжал в командировки в высшие учебные заведения и научно-исследовательские институты других городов для чтения лекций и консультации.

За лето и осень трудного 1943 года Яков Ильич написал одну из выдающихся своих монографий «Кинетическая теория жидкостей». Академик И.Е. Тамм писал, имея в виду эту работу, что в истории науки редко встречаются примеры, когда физик излагал бы столь обширную область науки, основываясь в такой степени на собственных идеях и работах. Этот труд Я.И. Френкеля был отмечен Государственной премией первой степени.

Лекции Френкеля для студентов были необычными. В них творчески излагался предмет и содержались идеи самого лектора, оригинальные трактовки результатов новейших исследований, учитывались последние успехи науки. Его курс квантовой механики непрерывно пополнялся данными о самых новых теоретических и экспериментальных открытиях. Две лекции на одну и ту же тему могли быть совершенно различными в зависимости от результатов последних работ или в связи с изменением точки зрения Френкеля, вызванным более углубленным изучением и обдумыванием того или иного научного факта.

В то же время Френкель всегда заботился о том, чтобы его лекции были доступны слушателям.

Иногда выводя на доске сложный и длинный набор цифр и уравнений, Яков Ильич на какой-то стадии терял «минус» или «плюс», или «корень квадратный». Тогда он поручал студентам найти этот «легкомысленный» знак, умудрившийся сбежать. Студенты бросались на поиски и в конце концов находили беглеца. Этот маленький фокус Френкель делал, конечно, умышленно, создавая, таким образом, небольшую разрядку и в то же время проверяя внимательность своих студентов.

Френкель обладал крепким физическим здоровьем. Это доказывала его огромная работоспособность. Он отлично катался на коньках, совершал длинные пешеходные прогулки, водил автомобиль. Тем не менее утомление, вызванное усиленной работой на протяжении многих лет, лишения военного времени, а также многие жизненные трудности к концу сороковых годов стали сказываться на его здоровье. Он прекрасно понимал, что болен, но не хотел мириться с этим и продолжал трудиться, как в молодые годы. Однако теперь болезнь довольно часто побеждала его, и он вынужден был на время прекращать работу.

В ночь на 23 января 1952 года Я.И. Френкель скоропостижно скончался у себя дома в профессорском корпусе, расположенном в парке Политехнического института, где он провел почти всю жизнь. 10 февраля ему исполнилось бы 58 лет.

Когда умер Френкель, в научных журналах по физике рядом с некрологами о нем оказались и его научные статьи. Они были напечатаны отнюдь не в связи со смертью ученого. Нет, просто подошла их очередь для опубликования и они появились на страницах журналов, как будто бы автор продолжал работать...

Хотя физика в нашем столетии оказывает непосредственно влияние на все сферы деятельности человека, она пока еще не стала доступным для всех объектом. Более широко известны некоторые успехи физики, связанные с различными техническими устройствами, поражающими воображение. К ним относятся, например, атомные электростанции, термоядерное оружие, космические аппараты, гигантские ускорители частиц, радиолокаторы, солнечные батареи, полупроводниковые приборы.

Но многие ли знают о тех научных открытиях, в том числе и «чисто» теоретических, предшествовавших созданию таких технических устройств?

Теоретические идеи, подобные тем, которые рождались в уме Френкеля, всегда «возбуждают» науку, питают живительными соками все области физики и смежных с нею наук. Работа физика-теоретика остается пока еще «невидимой» для широкого круга людей. Лишь спустя много лет и даже десятилетий становятся понятными идеи, которые при возникновении казались безумно сложными и были недоступны для восприятия человека со «средними знаниями».

Великий физик-теоретик Альберт Эйнштейн создал всем известную, но до сих пор сравнительно немногим понятную теорию относительности. Конечно, наступит время, когда теория Эйнштейна станет общепонятной; но для этого нужна дальнейшая разработка ее и повышение уровня образованности людей.

В печати часто подчеркивался большой диапазон научных интересов Якова Ильича, простиравшихся «от математики через все разделы физики вплоть до ядерной физики, геофизики, физиологии и техники». Редкая разносторонность Френкеля неизменно отмечалась всеми исследователями его научного творчества.

Ум современного человека обычно направлен в довольно ограниченную область интересов чаще всего потому, что и эта область сама по себе настолько глубока, что требует от человека всей его жизни.

В щедром потоке работ Френкеля почти каждая представляла собой ценное научное исследование, способное возбудить мысль других ученых.

До самой смерти Френкель продолжал безостановочно работать, ни на мгновение не утрачивая способности творчески мыслить. Поэтому и случилось так, что последние его статьи появились в печати одновременно с некрологами. Немало неоконченных рукописей осталось в ящиках его письменного стола.

Но к этому времени многие теоретические идеи Френкеля уже были «в деле». Они вошли в науку, и исследователи на основе этих идей развивали различные области физики. Эта коллективная работа не прекращается и сейчас.

Научное наследие Френкеля составляет более 20 книг и около 300 статей. Точно учесть все его печатные произведения сложно.

Тем более никто не смог бы сосчитать книги и статьи, написанные в развитие идей Френкеля или в результате совместного с ним обсуждения проблем физики. Такие издания появляются и ныне. Трудно предвидеть какие-либо границы времени для развития идей этого выдающегося и разностороннего ученого.

Далеко не до конца известны «потенциальные возможности» идей и гипотез Френкеля. Возможно, что развитие трудов Френкеля другими учеными в дальнейшем приведет к расширению списка крупных открытий. Некоторые работы Френкеля спустя много лет после смерти их автора продолжают занимать важное место в теоретической физике.

Конечно, новые открытия, в основе основ которых будут лежать идеи Френкеля, не всегда воскресят в памяти его имя. Но таков закон развития науки в наши дни, когда в одной даже узкой области работают многие талантливые ученые. Жизни одного поколения ученых не хватает для решения больших проблем науки. Труд ученых не только коллективен в рамках одной генерации, а охватывает последовательно несколько поколений. Проблемы физики стали несравнимо сложнее, чем в прошлом, и быстро продолжают усложняться.

Френкелю не хватило жизни даже для выполнения собственных заранее намеченных планов, тем более что он был ученым исключительно многосторонним по своим научным интересам. Его мышление, казалось, не имело границ. Без всяких передышек и пауз ученый стремился к истолкованию самых различных физических явлений. Естественно, что наибольшую радость и удовлетворение ему доставляли работы в излюбленных им областях. Их тоже было немало – теория твердого тела и кристаллов, теория жидкостей, молекулярная физика.

Яков Ильич занимался и другими областями теоретической физики и биофизики. Высокообразованный специалист мог бы, конечно, отыскать взаимосвязь между всеми этими областями, но многим они казались далекими друг от друга. Например, в 1939 году Френкель в докладе о действии ультразвука на живые организмы указал на возможность использовать ультразвук наряду с радиоактивными излучениями для лечения раковых опухолей. Это предложение вызвало широкий отклик у медиков. Сейчас врачи и биологи, применяющие ультразвук для опытов по лечению рака, вряд ли связывают свою практику с именем Френкеля, впервые выдвинувшего эту идею. Предложение Френкеля было хорошо научно аргументировано автором и возникло в результате глубокого обдумывания теоретических основ акустики и биологических процессов, связанных с ростом клеток.

За год до этого Френкель в статье о механизме мышечной деятельности утверждал, что сокращение мышц вызывается процессом, аналогичным хорошо известному процессу вулканизации резины. При раздражении мышц происходят химические реакции с выделением ионов, которые и приводят к сокращению их. Независимо от того, насколько подобное объяснение привилось в науке, его значение очевидно уже хотя бы потому, что оно содействовало привлечению внимания физиков и химиков к биологическим процессам. Сейчас увлечение биологией захватило многих физиков и химиков, и это, как можно было ожидать, привело к значительным достижениям.

Сохранилось много писем Френкеля. Помеченные различными городами нашей страны и других стран, они как бы сочетают в себе и его научные заметки, и мемуары, и дневники. В письмах Яков Ильич отмечал свои душевные переживания, описывал встречи со многими замечательными людьми. Кажется невероятным, что ученый, постоянно испытывавший переуплотненность времени, тем не менее смог за свою не очень длинную жизнь написать такое количество писем.

Френкель обладал литературным талантом, который проявлялся в его популярных очерках и статьях, написанных для широкого читателя, в его импровизированных стихах, которые он декламировал на вечерах самодеятельности в Ленинградском политехническом институте. Стихи и многие письма Френкеля проникнуты блестящим, хотя порой несколько грустным юмором.

Жизнь Якова Ильича Френкеля и его научное творчество в высшей степени интересны и неповторимы. Как бы ни был высок уровень требований к современному ученому, Френкеля можно по праву причислить к плеяде выдающихся физиков-теоретиков XX века.

Большой талант ученого в сочетании с личными достоинствами, из которых прежде всего следует отметить принципиальность и благородство, делают Френкеля подлинно исторической личностью в науке и культуре нашей страны.

 

Ирен и Фредерик Жолио-Кюри

Оглавление

 

Дата публикации:

13 июля 2001 года

Электронная версия:

© НиТ. Раритетные издания, 1998

Лучшие книги_120*600
Яндекс цитирования
Яндекс.Метрика