2
В. Лешковцев
Физика
в Московском государственном университете
Московский государственный университет (МГУ) недаром носит имя великого русского ученого Михаила Васильевича Ломоносова. Университет был создан 225 лет тому назад по его совету и проекту. «Главное мое основание — писал Ломоносов по поводу этого проекта — чтобы план служил во все будущее годы». Эта надежда была — университет возник и вскоре стал одним из основных очаров русского просвещения и научки. Оdnako непосредд.
Вверху изображено здание физического факультета МГУ на Ленинских горах.
ственного участия в деятельности Московского университета Ломоносов не принимал. Учеников в области физики у него не было, поэтому он практически не мог оказать какое-либо влияние на развитие физики в МГУ.
Московский университет был сформирован по указу императрицы Елизаветы Петровны 12 января 1755 года. Сначала в нем было всего лишь три факультета: физофский, юридический и медицинский; на последнем циталя курс физики. Только в 1804 году был образован факультет физических и математических наук. Сама жизнь (развитие производства, потребности армии) начала предъявлять требования к подготовке специалистов в этих области науки.
Еще Петр I, стремясь к развитию отечественной науки, указывал на необходимость не только обучать наукам, но и «производить они». Но в то время, как в Академию наук приглашались из-зарубежные учены (Эйлер, Бернулли, Ленц и другие), для Московского университета ничего подобного следуя.
3
лано не было. К тому же научные труды по физике, публикавшиеся преподавателями за первые полвека его существования, погибли во время пожара 1812 года.
Первым крупным физиком, работавшим в Московском университете, был Алексадр Григорьевич Стоletов. Он отдал университет более 30 лет своей жизни. Стоletов был воспитником Московского университета, который он окончил с отличием в 1860 году. Вскоре его на три года направили за границу, где он продолжил свое образование в лабораториях Берлина, Гейдельберга, Геттингена, Парижа. В эти годы он учился у Гельмгольца, Кирхгофа, Вебера, Магнуса и других крупных ученых.
В 1865 году Стоletов вернулся на родину и вскоре начал преподавать физку в университете — деятельности эта продолжалась до последних дней его жизни (он умер в 1896 году). Он первый начал читать курс математической физики. Ценю огромных усилия ему удалось в 1872 году создать первый физический лабораторию, в котором было проведить самостоятельные научные исследования. До этого момента преподаватели университета, в том числе и сам Стоletов, проводили научные исследования только в иностранных laboratories. Стоletов основал также первый постояно действующий научный семинар по проблемам физики, из числа участников которого выросли такие крупные учены, как Н. А. Умов, П. Н. Лебедев, Н. Е. Жуковский.
Работы Стоletова заложили основы теоретической электротехники; они получили широкое международное признание. В 1871 году Стоletов начал исследование магнитных свойства железа — основного материала электротехники.
Под действием магнитного поля железо прибретает магнитные свойства — оно становится магнитом. Натагничивание тела I и его магнитная проницаемость μ зависит от величины магнитной индукции намагничивающего поля. Кроме того, эти величины зависит также от форма тела, что весма осложняет исследование. До Стоletова величины I и μ изменяли только на длины стержнях. Стоletов создал новый метод измерения этих величины форм тела и получить закономерности, характеризующие материалы, из которого оно сделано. Опираясь на эти закономерности, создатели электрических машин нашли ключ к решению многих практических задач.
В 1887 году немецкий физик Герц обнаружил загадочного связывания электрическим пробой в газах (просакивание искры между включенными в электрическую цепь электродами), он обнаружил, что obлучение электродов ультрафилотовыми лучами облегчает пробой. Приступив к исследованию этого явления (восплездии названного фотоэлектрическим эффектом, или сокращенно — фотоэфектом), Стоletов создал оригинальный методку, позволив-
4
шую раскрыть основные закономерности фотоэфекта.
На рисунке приведена схема его экспериментов. В электронческую цель, состоящую из батарей Б и галванометра Г, включены также две металлические пластинки и , одна из которых сделана в виде сетки. Электрическая дуга Д является источником ультрафилотовых лучей. Освезая им металлические пластинки, Стоletов наблюдал прохождение тока в «разомкнутой» электрической цепи. Тепермы знаем, что носители тока служат электроны, которые вырывают квантами ультрафилотового излучения из металлического катода и устремляются к аноду .
В результате своих экспериментов Стоletов установил характер зависимости силы фотоотока, текущего по цепи, от напряжения, приложенного к пластинкам. Окзадность, что с увеличением напряжения фотооток сначала растет до определенной величины (ее называют током насыщения), после чего остается практическим постоянным. Это означает, что все электроны, покинувшие под влиянием света катод , достигают анода и частуют в прохождения тока по электрической цепи. Стоletов показал также, что сила фотоотока насыщения пропорциональна светому потоку, падающему на катод, или по-современному — числу падающих на катод квантов света. Законы фотоэфекта, открыты Стоletовым, сыграли важную роль в обосновании квантовой теории излучения и нашли много ценных практических примений.
После смерти Стоletова созданная им кафедра экспериментов
Graph showing the relationship between current and voltage in a circuit
В начале 1874 года Умов опубликовал работу «Уравнения движения энергии в телах». В ней содержится идея о потоке различных видов энергии в разных средах. Умов показал, что многие физические процессы (например, распространение световых волн или урругие колбания в твердом теле) связаны с непрерывным потоком энергии. Он первый ввел понятие плотности энергии, скорости ее распространения, направления потока энергии, дав им строгие физические определения. Исходя из закона сохранения энергии, Умов получил общий закон распространения энергии. Физические свойства этого закона таков: изменение энергии в заданном объеме какой-лобо среды за единицу времени равно потоку энергии через поверхность, ограничивающего этот объем. Сегодня эти идеи Умов стали общепризнаны. Но в то время Умов натолкнулся на глубокое непонимание со стороны больших физков. Лишь десять годами позже, в 1884 году, английский физик Пойнтиг опубликовал получившую широкую известность статью о переносе электромагнитной энергии, основные выводы которой совпадали с выводами из более общей теории Умов.
5
Старое здание физического факультета МГУ на Моховой.
Вторая проблема, исследованная Умовым, о котором мы хотим здесь расскаatzать, это земной магнетизм. Известно, что Земля является громадным магнитом. Характер магнитного поля Земли весма непрост, а о проискждении этого поля учены спорят до сих пор. Формальную математическую теорию земного магнитного поля разработал великий немецкий математик Гаусс. Он выел формулу, по которой можно вычислить величины магнитной индукции для любой точки на поверхности земного шара. Она представляет собой сумму из 24 слагаемых с постояными коэффициентами, определяемых из опыта. Умову впервые удалось раскрыть физический смысл отдельных слагаемых и коэффициентов в формуле Гауса.
Посленим выдающимся физком, работавшим в Московском университете до Октябрьской революции, был Петр Николаевич Лебедев. Он не был питомцем Московскойго университета, так как высшее образование получил в Московском высшем техническом училище. Подобно Столетову и Умову, он также совершенствовал свое образование за рубежом — в Страсбурге и Берлине. В 1891 году Лебедев получил степень доктора наук Страсбургского университета. Представленная им к защите работы была посвящена теории диэлектриков и определению диэлектрической проницаемости паров некоторых веществ.
Teория электромагнитных явлений, созданная Максвелом в середине XIX века, далек не сразу получила научное признание. За утверждение этой теории активно боролся Столетов. (Он провел серий опытов по гочному определению соответствия между коэффициентами, определяющими силу взаимодействия электрическихарядов и силу взаимодействия электрических токов. Согласно теории Максвелла относение этих коэффициентов равно
6
Мemornalная доска на здании, где работал П. Н. Лебедев.
скорости света, что и подтвердилась в опытах Стоletова.) В этой же борббе принимал участие и Умов, чья работа о потоке энергии подтверждала и развивала некоторыевыводы, вытекающие из теории Максвела. Конечно, очень важную роль в признании теории Максвела сыграли опыты Герца, доказавшие существование электромагнитныхволн. Но и П. Н. Лебедеву такжеудалось сделать очень крупныйвклад в обоснование этой теории.
Из теории Максвела следует, что свет, падая на поверхности тела, оказывает на него давление. Однако попытки проверить этотвывод экспериментально, предпринять несколькими учеными, законились безспешно. Они пришли квыводу, что если световое давление и существует, величина его оченьмала и перекрывается другими, во много раз более заметными физическими эффектами, неизбежноприсутствуются в таких экспериментах. Прежде всего это радиометри-ческий эффект, связанный с тем, что нагреваемое светом тело отделело по-разному с освещенной и неосвещенной сторон. Вторым побочным эффектом, осложняющимэксперимент, является конвекиция—возникновение тепловых потоковв нагретом светом воздуха; теплыйвоздух поднимается вверх, холодный—опускается.
Лебедев первым предполел все эти трудности. В построенном им приборе достигалась рекорднаяпо тому времени степень разрежениявоздуха. Платиновые крылышки, на которых свет поочередно падаютто с одной; то с другой стороны, былиочень тонкими, что практически исключало влияние радиометрическогоэффекта. А стеклянный баллон, внутри которого помещалось изменительное устройство, был достаточно больших размеров, что значительное ослабление влияние конвекиционных потоковвоздуха. Измененная Лебедевым величина давления света на легкие платиновые крылышки совпала со значением, вычисленным по теории Максвела. Эта работа была дополена Лебедевым в Париже на Всемирном съезде физиков в 1900 году и сразу получила всеобщее признание. Выдающийся английский физик ВильямТомсон (лорд Кельвин, чьим имеем назван абсолотная шкала температур), узнал о работах Лебедева, сказал знакомитому русскому биологу Кlementу Аркадьевич Тимирзеву: «Вы, может быть, знаете, что я всю жизнь воевал с Максвелом, не признавая его светового давления, и вот ваш Лебедев заставил меня сдаться перед его опитами».
В 1909 году Лебедев закончил трехлетние эксперименты по доказательству существования светового давления на газы, потребовавшие еще большей изобретательности. Оказалось, что свет оказавшее давление на газы и именно этим обязывается форма кометных хвостов.
Не менее важным итогом деятельности П. Н. Лебедева является создание им первой научной шкалы физиков в России. Средя его ученков были также извлеченные впоследствии учены, как академик П. П. Ла-
7
зарев, член-корреспондент АН СССР Т. П. Кравец, профессора В. К. Аркадьев, А. Б. Молодевский, Н. А. Капцов, К. П. Яковлев. Петр Николаевич был также инциатором создания независимого от университета первого в России физического института, который сейчас находится в системе Академии наук СССР и носит его имя. К сожалению, Лебедев не доходит до открытия института: сказаюсь тяжело заболевание сердца, от которого он умер в 1912 году в возрасте 46 лет.
Первым директором физического института, открывшегося 1 января 1917 года, был академик П. П. Лазарев. Следуя примеру своего учителья, он объединил вокруг себя большую группу молодых ученых, из числа которых вышипропадают МГУ академики С. И. Вавилов, Г. С. Ландсберг и В. В. Шулейкин, профессора В. В. Ильин, С. Н. Ржевкин, Э. В. Шпольский.
После Октябрьской революции физический факультет МГУ непрерывно развивался и совершенствовался. Очень большую роль в его развития сыграло создание кафедры теоретической физики, первый руководителем которого был талантливый молодой ученый С. А. Богуславский, приглашенный из Саратова. Продатов в МГУ два года, он умер от туберкулеза. Тогда на его место был приглашен из Одесккого университета профессор (а впоследствии академик) Леонид Исаакович Мандельштам, который приехал вместе со своим сотрудником (воспследствии также академик) Игорем Евгеньевич Таммом. Оба они были выданными советскими учеными, оказавшими большое влияние на развитие всей советской физики. Постепенно уровень преподавания физики в МГУ сравнялся с лучшими зарубежными высшими учебными заведениями.
Недавно мы отмеали в нашем журнал *) 100-летие со дня рождения академика Л. И. Мандельштама. Он создал одну из крупнейших физических школ в нашей стране.
*) См. «Квант», 1979, № 7.
Среди его учеников назовем лишь академиков А. А. Андронова, М. А. Леонтовича, И. М. Франка, А. М. Просорова, членов-kорреспондентов АН СССР С. М. Рытова, В. В. Мигулина, профессоров С. Э. Хайкина и Г. С. Горелика. Л. И. Мандельштам внес существенный вклад в цель ряда разделов современной физики — оптику, теорию колебаний, распространение радиолин, статистическую физiku.
Нанболее крупным из числа сделанных им открытий является открытие комбинационного рассеяния света. Если осветить какое-либо тело светом строго определенной длины волны, то и рассеяный этим телом свет будет иметь ту же длину волны. Эта истина давно и надежно была установлена оптиками. Но Л. И. Мандельштам и Г. С. Ландсберг решили выяснить, а не возникает ли при рассеянии света в кристаллах каких-нибудь новых световых волн, которые нет в падаюшем на кристалл свете. Для этого они поставили следующее опыт.
Монхроматический свет, полученный от грутной лампы с помощью фильтра, падал на кристалл максимально чистого и однородного кварица. Свет, рассеяний кристаллом, анализировался при помощи спектrographа. Одна из основных трудностей эксперимента составляет в том, что из общего количества световой энергии, падающей на кристалл, рассеяется лишь около одной десятимиликардной доли, причем практические всея рассеяния свет по длине волны совпадает с падающим светом. Обнаружить какие-то новые длины волн в отраженном кристаллом свете необучающего трудно.
Тем не менее после чрезвычайного долгой эксперимента Мандельштам и Ландсберг нашли в отраженном свете две дополнительные спектральные линии, симметрично расположенные на равных расстояниях от вершиной. Разности между частотами этих линей и частотой падающего света одинаковы и совпадают с частотой внутренних колебаний молекул рассеяющего вещества. Атомы, образующие молекулы, могут совершать колебатель-