Vật lý tại Đại học quốc gia Moscow

2

V. Leshkovtsev

Vật lý
tại Đại học quốc gia Moscow

Không phải vô cớ mà Đại học quốc gia Moscow (MSU) mang tên nhà khoa học vĩ đại người Nga Mikhail Vasilyevich Lomonosov. Trường đại học được thành lập cách đây 225 năm nhờ lời khuyên và thiết kế của ông. “Lý do chính của tôi,” Lomonosov viết về dự án này, “là kế hoạch sẽ phục vụ cho tất cả các năm trong tương lai.” Có hy vọng này - trường đại học ra đời và nhanh chóng trở thành một trong những điểm thu hút chính của giáo dục và khoa học Nga. Tuy nhiên, trực tiếp

Trên đây là tòa nhà Khoa Vật lý của Đại học quốc gia Moscow trên đồi Lenin.

Lomonosov không tham gia tích cực vào các hoạt động của Đại học Moscow. Ông không có sinh viên nào trong lĩnh vực vật lý nên thực tế ông không thể có bất kỳ ảnh hưởng nào đến sự phát triển của vật lý tại Đại học quốc gia Moscow.

Đại học Mátxcơva được thành lập theo sắc lệnh của Hoàng hậu Elizabeth Petrovna vào ngày 12 tháng 1 năm 1755. Lúc đầu chỉ có ba khoa: vật lý, luật và y học; Trong khóa học vừa qua tôi đã tham gia một khóa học vật lý. Chỉ đến năm 1804 Khoa Khoa học Vật lý và Toán học mới được thành lập. Bản thân cuộc sống (sự phát triển của sản xuất, nhu cầu của quân đội) bắt đầu đặt ra yêu cầu đào tạo các chuyên gia trong các lĩnh vực khoa học này.

Ngay cả Peter I, khi nỗ lực phát triển khoa học trong nước, đã chỉ ra sự cần thiết không chỉ của việc giảng dạy khoa học mà còn phải “sản xuất ra nó”. Nhưng trong khi các nhà khoa học nước ngoài được mời đến Viện Hàn lâm Khoa học (Euler, Bernoulli, Lenz và những người khác), thì Đại học Moscow lại không có trường hợp nào như vậy.

3

không có kế hoạch. Ngoài ra, các công trình khoa học về vật lý do các giáo viên xuất bản trong nửa thế kỷ đầu tồn tại đã bị thất lạc trong trận hỏa hoạn năm 1812.

Nhà vật lý lớn đầu tiên làm việc tại Đại học Moscow là Aleksandr Grigorievich Stoletov. Ông đã cống hiến hơn 30 năm cuộc đời mình cho trường đại học. Stoletov là sinh viên của Đại học Moscow, tốt nghiệp loại xuất sắc vào năm 1860. Chẳng bao lâu sau, ông được gửi ra nước ngoài trong ba năm, nơi ông tiếp tục học tại các phòng thí nghiệm ở Berlin, Heidelberg, Gottingen và Paris. Trong những năm này, ông đã nghiên cứu với Helmholtz, Kirchhoff, Weber, Magnus và các nhà khoa học lớn khác.

Năm 1865, Stoletov trở về quê hương và sớm bắt đầu giảng dạy vật lý tại trường đại học - hoạt động này tiếp tục cho đến những ngày cuối đời (ông mất năm 1896). Ông là người đầu tiên dạy một khóa học về vật lý toán học. Với những nỗ lực to lớn, vào năm 1872, ông đã thành lập được phòng thí nghiệm vật lý đầu tiên để ông có thể tiến hành nghiên cứu khoa học độc lập. Cho đến thời điểm này, các giáo viên đại học, bao gồm cả chính Stoletov, chỉ tiến hành nghiên cứu khoa học trong các phòng thí nghiệm nước ngoài. Stoletov cũng thành lập hội thảo khoa học thường trực đầu tiên về các vấn đề vật lý, trong số những người tham gia có các nhà khoa học nổi tiếng như N. A. Umov, P. N. Lebedev, N. E. Zhukovsky.

Công việc của Stoletov đã đặt nền móng cho kỹ thuật điện lý thuyết; họ đã nhận được sự công nhận rộng rãi của quốc tế. Năm 1871, Stoletov bắt đầu nghiên cứu tính chất từ ​​của sắt, vật liệu chính cho kỹ thuật điện.

Dưới tác dụng của từ trường, sắt có được tính chất từ ​​- nó trở thành nam châm. Độ từ hóa của vật I và độ thấm từ của nó μ phụ thuộc vào độ lớn cảm ứng từ của trường từ hóa. Ngoài ra, những giá trị này còn phụ thuộc vào hình dạng của cơ thể, điều này làm cho việc nghiên cứu trở nên phức tạp hơn rất nhiều. Trước Stoletov, giá trị của I và μ chỉ được thay đổi dọc theo chiều dài của thanh. Stoletov đã tạo ra một phương pháp mới để đo các giá trị này của hình dạng cơ thể và thu được các mẫu đặc trưng cho vật liệu tạo ra nó. Dựa trên những mô hình này, những người tạo ra máy điện đã tìm ra chìa khóa cho lời giải của nhiều bài toán thực tế.

Năm 1887, nhà vật lý người Đức Hertz đã phát hiện ra sự kết hợp bí ẩn của sự đánh thủng điện trong chất khí (sự truyền tia lửa điện giữa các điện cực nối với mạch điện); ông phát hiện ra rằng việc chiếu tia cực tím vào các điện cực sẽ tạo điều kiện cho sự phân hủy. Sau khi bắt đầu nghiên cứu hiện tượng này (gọi tắt là hiệu ứng quang điện hay gọi tắt là hiệu ứng quang điện), Stoletov đã tạo ra một phương pháp độc đáo, cho phép

4

Tôi muốn tiết lộ các quy luật cơ bản của hiệu ứng ảnh.

Hình vẽ cho thấy một sơ đồ các thí nghiệm của ông. Mục tiêu điện tử, bao gồm pin B và điện kế G, cũng bao gồm hai tấm kim loại $K_1$ và $K_2$, một trong số đó được chế tạo dưới dạng lưới. Hồ quang điện D là nguồn phát ra tia tử ngoại. Khi mang các tấm kim loại, Stoletov quan sát thấy dòng điện chạy qua trong một mạch điện “hở”. Bây giờ chúng ta biết rằng các hạt mang dòng điện là các electron, chúng phóng ra lượng tử bức xạ cực tím từ cực âm kim loại $K_2$ và lao tới cực dương $K_1$.

Kết quả của các thí nghiệm của mình, Stoletov đã thiết lập được bản chất sự phụ thuộc của cường độ dòng quang điện chạy qua mạch vào điện áp đặt lên các bản. Đúng là khi điện áp tăng, dòng quang đầu tiên tăng đến một giá trị nhất định (được gọi là dòng bão hòa), sau đó nó gần như không đổi. Điều này có nghĩa là tất cả các electron rời khỏi cực âm $K_2$ dưới tác dụng của ánh sáng đều chạm tới cực dương $K_1$ và thường chạy qua mạch điện. Stoletov còn chỉ ra rằng cường độ của dòng quang bão hòa tỷ lệ thuận với thông lượng ánh sáng tới trên cực âm, hay theo thuật ngữ hiện đại, với số lượng tử ánh sáng tới trên cực âm. Các định luật về hiệu ứng quang điện do Stoletov phát hiện đóng vai trò quan trọng trong việc chứng minh lý thuyết lượng tử của bức xạ và tìm ra nhiều ứng dụng thực tế có giá trị.

Sau cái chết của Stoletov, Phòng Thí nghiệm do ông thành lập

Graph showing the relationship between current and voltage in a circuit

Vào đầu năm 1874, Umov xuất bản tác phẩm “Phương trình chuyển động năng lượng trong các vật thể”. Nó chứa đựng ý tưởng về dòng chảy của các loại năng lượng khác nhau trong các môi trường khác nhau. Umov đã chỉ ra rằng nhiều quá trình vật lý (ví dụ, sự lan truyền của sóng ánh sáng hoặc dao động trong chất rắn) có liên quan đến dòng năng lượng liên tục. Ông là người đầu tiên đưa ra khái niệm về mật độ năng lượng, tốc độ truyền của nó, hướng của dòng năng lượng, đưa ra những định nghĩa vật lý chặt chẽ cho chúng. Dựa vào định luật bảo toàn năng lượng, Umov thu được định luật tổng quát về sự truyền năng lượng. Các tính chất vật lý của định luật này như sau: sự thay đổi năng lượng trong một thể tích nhất định của một môi trường nào đó trong một đơn vị thời gian bằng với dòng năng lượng qua bề mặt giới hạn thể tích này. Ngày nay những ý tưởng này của Tâm trí đã được chấp nhận rộng rãi. Nhưng vào thời điểm đó, Umov gặp phải sự hiểu lầm sâu sắc từ phía các nhà vật lý cấp cao. Chỉ mười năm sau, vào năm 1884, nhà vật lý người Anh Poyntig đã xuất bản một bài báo được biết đến rộng rãi về sự truyền năng lượng điện từ, những kết luận chính của nó trùng khớp với kết luận của lý thuyết tổng quát hơn về Tâm trí.

5

Tòa nhà cũ của Khoa Vật lý của Đại học quốc gia Moscow trên Mokhovaya.

Vấn đề thứ hai được Umov nghiên cứu mà chúng tôi muốn nói ở đây là từ tính của trái đất. Được biết, Trái đất là một nam châm khổng lồ. Bản chất của từ trường Trái đất rất phức tạp và các nhà khoa học vẫn đang tranh cãi về nguồn gốc của từ trường này. Lý thuyết toán học chính thức về từ trường của trái đất được phát triển bởi nhà toán học vĩ đại người Đức Gauss. Ông đã đưa ra một công thức có thể dùng để tính độ lớn cảm ứng từ tại bất kỳ điểm nào trên bề mặt địa cầu. Đó là tổng của 24 số hạng với hệ số không đổi, được xác định theo kinh nghiệm. Umov là người đầu tiên tiết lộ ý nghĩa vật lý của từng số hạng và hệ số trong công thức Gauss.

Nhà vật lý xuất sắc cuối cùng làm việc tại Đại học Moscow trước Cách mạng Tháng Mười là Pyotr Nikolaevich Lebedev. Anh ấy không phải là sinh viên của Đại học Moscow, vì anh ấy đã học cao hơn tại Trường Kỹ thuật Cao cấp Moscow. Giống như Stoletov và Umov, anh ấy cũng đã cải thiện trình độ học vấn của mình ở nước ngoài - ở Strasbourg và Berlin. Năm 1891, Lebedev nhận bằng tiến sĩ tại Đại học Strasbourg. Công trình bào chữa mà ông trình bày được dành cho lý thuyết về điện môi và xác định hằng số điện môi của hơi của một số chất.

Lý thuyết về hiện tượng điện từ do Maxwell tạo ra vào giữa thế kỷ 19 đã không nhận được sự công nhận của giới khoa học ngay lập tức. Stoletov tích cực đấu tranh để tán thành lý thuyết này. (Ông đã tiến hành một loạt thí nghiệm để xác định chính xác sự tương ứng giữa các hệ số xác định lực tương tác của điện tích và lực tương tác của dòng điện. Theo lý thuyết của Maxwell, tỉ số của các hệ số này bằng

6

Tấm bia tưởng niệm trên tòa nhà nơi P. N. Lebedev làm việc.

tốc độ ánh sáng, điều đã được xác nhận trong các thí nghiệm của Stoletov.) Umov cũng tham gia vào cuộc đấu tranh này, công trình của ông về dòng năng lượng đã xác nhận và phát triển một số kết luận nảy sinh từ lý thuyết của Maxwell. Tất nhiên, các thí nghiệm của Hertz chứng minh sự tồn tại của sóng điện từ đã đóng vai trò rất quan trọng trong việc thừa nhận lý thuyết của Maxwell. Nhưng P. N. Lebedev cũng đã có đóng góp rất quan trọng vào việc chứng minh lý thuyết này.

Theo lý thuyết của Maxwell, ánh sáng chiếu vào bề mặt của vật thể sẽ gây áp lực lên nó. Tuy nhiên, nỗ lực xác minh kết luận này bằng thực nghiệm của một số nhà khoa học đã không thành công. Họ đi đến kết luận rằng nếu áp suất ánh sáng tồn tại thì cường độ của nó rất nhỏ và bị chồng chéo bởi những hiệu ứng vật lý khác đáng chú ý hơn gấp nhiều lần chắc chắn hiện diện trong những thí nghiệm như vậy. Trước hết, đây là hiệu ứng đo phóng xạ liên quan đến thực tế là vật thể được làm nóng bởi ánh sáng được tách biệt khác nhau với các mặt được chiếu sáng và không chiếu sáng. Tác dụng phụ thứ hai làm phức tạp thí nghiệm là sự đối lưu – sự xuất hiện của các dòng nhiệt trong không khí được làm nóng bởi ánh sáng; Không khí ấm tăng lên, không khí lạnh hạ xuống.

Lebedev là người đầu tiên vượt qua được tất cả những khó khăn này. Thiết bị do ông chế tạo đã đạt được mức độ hiếm không khí kỷ lục vào thời điểm đó. Đôi cánh bạch kim, trên đó ánh sáng luân phiên rơi từ bên này sang bên kia; mặt khác, chúng rất mỏng, điều này thực tế đã loại bỏ ảnh hưởng của hiệu ứng đo phóng xạ. Và xi lanh thủy tinh, bên trong đặt thiết bị thay đổi, đủ lớn để làm suy yếu đáng kể ảnh hưởng của luồng không khí đối lưu. Giá trị của áp suất ánh sáng lên các cánh bạch kim nhẹ do Lebedev thay đổi trùng với giá trị được tính toán bằng lý thuyết Maxwell. Công trình này được Lebedev bổ sung ở Paris tại Đại hội các nhà vật lý thế giới năm 1900 và ngay lập tức nhận được sự công nhận rộng rãi. Nhà vật lý xuất sắc người Anh William Thomson (Lord Kelvin, người được đặt tên cho thang nhiệt độ tuyệt đối), đã biết về công trình của Lebedev và nói với người quen của ông, nhà sinh vật học người Nga Klement Arkadyevich Timirzev: “Bạn có thể biết rằng cả đời tôi đã chiến đấu với Maxwell, không nhận ra áp suất nhẹ của anh ấy, và bây giờ Lebedev của bạn đã khiến tôi đầu hàng trước các thí nghiệm của anh ấy”.

Năm 1909, Lebedev hoàn thành ba năm thí nghiệm để chứng minh sự tồn tại của áp suất nhẹ lên chất khí, điều này đòi hỏi sự khéo léo hơn nữa. Hóa ra ánh sáng đã gây áp lực lên các chất khí và đây là yếu tố quyết định hình dạng của đuôi sao chổi.

Một kết quả quan trọng không kém trong hoạt động của P. N. Lebedev là việc ông tạo ra quy mô khoa học đầu tiên của các nhà vật lý ở Nga. Trong số học trò của ông còn có những nhà khoa học sau này học được, như Viện sĩ P. P. La-

7

Zarev, thành viên tương ứng của Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô T. P. Kravets, các giáo sư V. K. Arkadyev, A. B. Molodevsky, N. A. Kaptsov, K. P. Ykovlev. Pyotr Nikolaevich cũng là người khởi xướng việc thành lập viện vật lý đầu tiên ở Nga, độc lập với trường đại học, hiện nằm trong hệ thống của Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô và mang tên ông. Thật không may, Lebedev đã không thể mở viện: ông mắc một căn bệnh tim nghiêm trọng và qua đời vào năm 1912 ở tuổi 46.

Giám đốc đầu tiên của viện vật lý, mở cửa vào ngày 1 tháng 1 năm 1917, là viện sĩ P. P. Lazarev. Theo gương của người thầy, ông đã tập hợp xung quanh mình một nhóm lớn các nhà khoa học trẻ, trong số đó có các học giả MSU nổi tiếng nhất S. I. Vavilov, G. S. Landsberg và V. V. Shuleikin, các giáo sư V. V. Ilyin, S. N. Rzhevkin, E. V. Shpolsky.

Sau Cách mạng Tháng Mười, Khoa Vật lý của Đại học Quốc gia Mátxcơva không ngừng phát triển và hoàn thiện. Việc thành lập Khoa Vật lý Lý thuyết, người đứng đầu là nhà khoa học trẻ tài năng S. A. Boguslavsky, được mời từ Saratov, đóng một vai trò rất quan trọng trong sự phát triển của nó. Prodatov học tại Đại học quốc gia Moscow được hai năm, ông qua đời vì bệnh lao. Sau đó, thay thế ông, giáo sư (và sau này là học giả) Leonid Isaakovich Mandelstam được mời từ Đại học Odessa, người đã đến cùng với cộng tác viên của ông (sau này cũng là học giả) Igor Evgenievich Tamm. Cả hai đều là những nhà khoa học xuất sắc của Liên Xô, người có ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của toàn bộ nền vật lý Liên Xô. Dần dần, trình độ giảng dạy vật lý tại Đại học quốc gia Moscow ngang bằng với các cơ sở giáo dục đại học nước ngoài tốt nhất.

Gần đây chúng tôi đã tổ chức lễ kỷ niệm 100 năm ngày sinh của Viện sĩ L. I. Mandelstam trên tạp chí của mình *). Ông đã thành lập một trong những trường vật lý lớn nhất ở nước ta.

*) Xem «Kvant», 1979, số 7.

Trong số các sinh viên của ông, chúng tôi chỉ kể tên các học giả A. A. Andronov, M. A. Leontovich, I. M. Frank, A. M. Prosorov, các thành viên tương ứng của Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô S. M. Rytov, V. V. Migulin, các giáo sư S. E. Khaikin và G. S. Gorelik. L. I. Mandelstam đã có đóng góp đáng kể cho mục tiêu của một số ngành vật lý hiện đại - quang học, lý thuyết dao động, truyền sóng vô tuyến, vật lý thống kê.

Cho đến nay, khám phá lớn nhất mà ông thực hiện là khám phá ra sự tán xạ ánh sáng Raman. Nếu bạn chiếu sáng một vật thể bằng ánh sáng có bước sóng xác định nghiêm ngặt thì ánh sáng bị tán xạ bởi vật thể này sẽ có cùng bước sóng. Sự thật này đã có từ lâu và được các bác sĩ nhãn khoa xác lập một cách đáng tin cậy. Nhưng L.I. Mandelstam và G.S. Landsberg quyết định tìm hiểu xem liệu khi ánh sáng bị tán xạ trong tinh thể, một số sóng ánh sáng mới không phát sinh và không có mặt trong ánh sáng tới trên tinh thể hay không. Để làm điều này, họ đã thực hiện thí nghiệm sau.

Ánh sáng đơn sắc thu được từ đèn đất với sự trợ giúp của bộ lọc, chiếu vào tinh thể thạch anh tinh khiết và đồng nhất nhất. Ánh sáng tán xạ bởi tinh thể được phân tích bằng máy quang phổ. Một trong những khó khăn chính của thí nghiệm là trong tổng lượng năng lượng ánh sáng tới tinh thể, chỉ có khoảng một phần mười milicard bị tán xạ, và gần như toàn bộ ánh sáng tán xạ trùng với bước sóng với ánh sáng tới. Rất khó để phát hiện bất kỳ bước sóng mới nào trong ánh sáng không giảng dạy được phản chiếu bởi tinh thể.

Tuy nhiên, sau một thí nghiệm cực kỳ dài, Mandelstam và Landsberg đã tìm thấy trong ánh sáng phản xạ hai vạch quang phổ bổ sung, nằm đối xứng ở những khoảng cách bằng nhau tính từ đỉnh. Sự khác biệt giữa tần số của các vạch này và tần số của ánh sáng tới là giống hệt nhau và trùng với tần số dao động bên trong của các phân tử của chất tán xạ. Các nguyên tử tạo nên phân tử có thể dao động