Thành tựu của các nhà vật lý Liên Xô

9

THÀNH TÍCH
NHÀ VẬT LÝ LIÊN XÔ

Vật lý Liên Xô còn rất non trẻ. Nhưng những thành công đạt được trong thời gian ngắn như vậy là minh chứng thuyết phục cho sự trưởng thành về mặt khoa học to lớn và khả năng giải quyết các vấn đề phức tạp của khoa học tự nhiên hiện đại.

Hiện nay ở nước ta có hơn một trăm viện vật lý đặc biệt của Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô, các học viện cộng hòa, cũng như các khoa không chuyên. Ở giữa là các viện vật lý nổi tiếng thế giới mang tên I. N. Lebedev, Viện Vật lý và Công nghệ mang tên A. F. Ioffe, Viện Các vấn đề Vật lý mang tên S. I. Vavilov, Viện Năng lượng nguyên tử mang tên I. V. Kurchatov, Viện Nghiên cứu Hạt nhân Liên hợp ở Dubna. Khoa học Liên Xô có thành tựu nổi bật trong nhiều lĩnh vực vật lý hiện đại. Ví dụ, chúng bao gồm vật lý hạt nhân, vật lý plasma và phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát, vật lý bán dẫn, vật lý nhiệt độ thấp, điện tử lượng tử, vật lý áp suất cao. Các nhà khoa học của chúng tôi làm việc thành công trong nhiều lĩnh vực chương trình của khoa học hiện đại. Vật lý hóa học và sinh học, vật lý Trái đất, khí quyển, vũ trụ, vật lý Đại dương Thế giới và khoa học được đại diện ở nước ta bởi nhiều nhà khoa học nổi tiếng thế giới.

Các nhà vật lý Liên Xô đã thực hiện nhiều nghiên cứu khoa học cơ bản đến mức bất kỳ nỗ lực nào chỉ nói ngắn gọn về từng tác phẩm này chắc chắn sẽ dẫn đến một danh sách khô khan gồm một số lượng lớn các tên và sự kiện riêng lẻ mà nhiều độc giả không biết đến. Do đó, chúng tôi sẽ chỉ kể ở đây về một số thành tựu lớn nhất của các nhà khoa học vật lý của chúng ta.

Biên niên sử ngắn gọn về những khám phá nổi bật của vật lý hiện đại chủ yếu bao gồm những khám phá “danh nghĩa”. Tất nhiên, không phải mọi khám phá quan trọng sau đó đều được các nhà khoa học tạo ra nó đạt được. Do đó, danh sách đưa ra ở đây không bao gồm ngay cả những khám phá lớn nhất được thực hiện bởi các nhà khoa học của chúng ta trong lĩnh vực vật lý. Nhưng chúng tôi hy vọng rằng danh sách ngắn các khám phá “tên tuổi” sẽ cho phép độc giả của chúng tôi cảm nhận được sự đóng góp của các nhà khoa học hiện đại vào kho tàng khoa học thế giới to lớn như thế nào.

Lý thuyết tương đối rộng do Einstein tạo ra chứa các phương trình đặc trưng cho trạng thái của Vũ trụ. Einstein đã tìm thấy một tĩnh (không phụ thuộc vào thời gian) lời giải, mô tả một Vũ trụ đóng, không phát triển. Chẳng bao lâu, Giáo sư Alexander Alexandrovich Fridman đã nhận được hai phương trình cơ bản lời giải mới của thuyết tương đối rộng. Cả hai đều mô tả một Vũ trụ không ngừng giãn nở. Sau đó, “Mô hình giãn nở của Vũ trụ Friedmann” đã nhận được sự xác nhận thực nghiệm và hiện được chấp nhận rộng rãi.

Người ta biết rằng độ bền của một vật rắn xác định bằng thực nghiệm nhỏ hơn nhiều lần so với giá trị tính toán trên lý thuyết. Lý do cho sự khác biệt này lần đầu tiên được tiết lộ bởi học giả Abram Fedorovich Ioffe. Hóa ra, các khiếm khuyết khác nhau trong cấu trúc tinh thể không được tính đến về mặt lý thuyết, chẳng hạn như các yêu cầu về kính hiển vi trên bề mặt tinh thể, là nguyên nhân dẫn đến sự phá hủy vật liệu sớm. Bằng cách ngâm một tinh thể muối đá vào nước và hòa tan lớp bề mặt, Ioffe sẽ đạt được sức mạnh tăng lên hàng trăm lần. Sự đơn giản hóa các tinh thể khi lớp bề mặt hòa tan được gọi là “hiệu ứng Ioffe”.

10

Viện sĩ Vladimir Aleksandrovich Fock đã nghiên cứu sự phát triển của nó kể từ khi cơ học lượng tử ra đời. Ông đã khái quát hóa phương trình cơ bản của lý thuyết này cho trường hợp từ trường và thu được phương trình tương đối tính của cơ học lượng tử, được các nhà vật lý gọi là “phương trình Fock-Klein”. Sau đó, Viện sĩ V. A. Fok, độc lập với nhà vật lý người Anh Hartree, đã tạo ra một phương pháp tính quang phổ của các nguyên tử chứa một số lượng lớn electron và thậm chí cả quang phổ của các phân tử phức tạp. Phương pháp này đã đi vào lịch sử vật lý dưới cái tên “Phương pháp Hartree-Fock”. Trước khi tạo ra phương pháp này, việc tính toán các nguyên tử phức tạp là một nhiệm vụ hoàn toàn không thể tiếp cận được đối với cơ học lượng tử.

Về mặt lý thuyết, Viện sĩ Leonid Isaakovich Mandelstam đã chỉ ra rằng sự không đồng nhất vi mô trong mật độ vật chất, phát sinh do sự chuyển động nhiệt của các phân tử, làm thay đổi quang phổ của ánh sáng tán xạ, thêm vào đó các vạch quang phổ mới, rất khó quan sát. (Những đường này lần đầu tiên được phát hiện bởi thành viên tương ứng của Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô Evgeniy Fedorovich Gross.) Hiện tượng mà chúng phát sinh được gọi là “hiệu ứng Mandelshtam-Brillouzon”, vì một dự đoán tương tự đã được nhà vật lý người Pháp Brillouzon đưa ra sau đó ít lâu.

Nghiên cứu sự tán xạ ánh sáng trong tinh thể thạch anh, viện sĩ Leonid

Isaakovich Mandelstam và Grigory Samuilovich Landsberg đã phát hiện ra các vạch quang phổ bổ sung trong quang phổ của ánh sáng tán xạ không thuộc về ánh sáng tới trên tinh thể. Những vạch quang phổ này xuất hiện do sự tương tác của ánh sáng tới với các phân tử riêng lẻ tạo thành mạng tinh thể. Một thời gian sau, một hiện tượng tương tự được nhà vật lý Ấn Độ Raman phát hiện khi nghiên cứu sự tán xạ ánh sáng trong benzen lỏng. Nó được gọi là “hiệu ứng Mandelshtam-Landsberg-Raman” hay “sự tán xạ ánh sáng raman”. Tán xạ Raman đã trở thành một công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu cấu trúc của phân tử.

Viện sĩ Pyotr Leonidovich Kapits, sử dụng cài đặt ban đầu mà ông thiết kế để tạo ra từ trường siêu mạnh của cài đặt, rằng trong các trường như vậy, sự thay đổi điện trở của kim loại không tăng tỷ lệ thuận với bình phương của cảm ứng từ, như mong đợi dựa trên các lý thuyết hiện có, mà là một hàm tuyến tính của cảm ứng từ. Hiện tượng tất yếu này, chưa được giải thích trong khoảng 30 năm, được gọi là “định luật Kapitsa”.

Một hiện tượng khác được ông phát hiện gắn liền với tên tuổi của Viện sĩ P. L. Kapitsa. Trong khi nghiên cứu các đặc tính của gel lỏng, ông phát hiện ra rằng ở nhiệt độ dưới 2,19 K, gel chảy qua một cổ hẹp mà thực tế không có bất kỳ áp lực nào.

11

xương. Hiện tượng này sau này được gọi là hiện tượng siêu chảy. Lý thuyết về hiện tượng này được tạo ra bởi viện sĩ Lev Davidovich Landdu. Năm 1978, P. L. Kapitsa được trao giải Nobel cho nghiên cứu cơ bản trong lĩnh vực vật lý nhiệt độ thấp.

Giáo sư Lev Vasilievich Shubnikov, làm việc trong phòng thí nghiệm của nhà vật lý người Hà Lan de Haas, đã phát hiện ra rằng điện trở của một vysut đặt trong từ trường ở nhiệt độ của gel lỏng, khi cảm ứng từ của trường tăng lên, nó sẽ quay trở lại hoặc tắt đi (như người ta nói, điện trở của vysut dao động). “Hiệu ứng Shubnikov-de Haas” này được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu phổ năng lượng của electron trong kim loại.

Giáo sư Anatoly Aleksadrovich Blasov của Đại học Moscow là người đầu tiên đưa ra phương trình mô tả hành vi của một loại khí được tiêm chủng hiếm (plasma), trong đó các hạt được nạp mới không xuất hiện. Nó đi vào khoa học dưới cái tên “phương trình Blasov”.

Về mặt lý thuyết, Viện sĩ Lev Davidovich Landdu đã chỉ ra rằng các electron tự do trong kim loại dưới tác dụng của từ trường bên ngoài chỉ có thể di chuyển theo những quỹ đạo được xác định nghiêm ngặt (như các nhà vật lý nói - lượng tử). Điều này có nghĩa là các mức năng lượng đặc biệt phát sinh trong từ trường, được gọi là “cấp Landdu”.

Từ lý thuyết tương tự, người ta suy ra rằng tác động của từ trường lên các electron tự do trong kim loại dẫn đến xuất hiện một mômen từ bổ sung hướng theo hướng ngược lại với từ trường bên ngoài. Khoảnh khắc như vậy được gọi là nghịch từ, và hiện tượng được mô tả là “độ nghịch từ Landdu”. Lưu ý rằng lý thuyết tương tự đã giải thích hiệu ứng Shubnikov-de Haas.

Lev Davidovich Landdu cũng chỉ ra rằng ngay cả khi không có hạt plasma mới truyền trong đó, sóng điện từ vẫn bị suy giảm. Đây là lý thuyết này, các thành viên tương ứng của Viện Hàn lâm Khoa học

12

Liên Xô Alexey Alekseevich Abrikovov và Lev Petrovich Gorkov đã tạo ra lý thuyết về hợp kim siêu dẫn. Lý thuyết này được cả thế giới biết đến với cái tên “Lý thuyết GLAG” (Ginsburg-Landu-Abrikovov-Gorkov).

Lý thuyết siêu dẫn Microsoppech, mô tả chi tiết cơ chế của hiện tượng bí ẩn này, được tạo ra bởi các nhà vật lý người Mỹ Bardeen, Cooper và Schriefer, và độc lập với họ, viện sĩ Nikolai Nikolaevets Bogolyubov. Nó được gọi là “Lý thuyết siêu dẫn Bardeen-Cooper-Schriefer-Bogolyubov”.

Viện sĩ hàn lâm Isaac Konstantinovich Kion, cùng với M. M. Noskov, đã phát hiện ra hiệu ứng quang điện từ, cho thấy trong các thí nghiệm rằng khi một chất bán dẫn được chiếu sáng trong từ trường, một suất điện động sẽ xuất hiện trong nó. Lượng tử ánh sáng dẫn đến sự xuất hiện của các hạt mang dòng điện - các electron và lỗ trống tự do, chúng khuếch tán dọc theo hướng tới của ánh sáng và từ trường ngăn cách chúng theo các hướng ngược nhau. Hiện tượng này từ lâu đã được gọi là “hiệu ứng Kionne-Noskov”.

Viện sĩ Igor Evgenievich Tump đã đưa ra một lựa chọn nghiêm ngặt về công thức mô tả ánh sáng trên các electron tự do. Cô đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của điện động lực học lượng tử. Nó đã đi vào lịch sử vật lý dưới cái tên “Công thức Tamm-Klein-Nishina”.

I. E. Tamp đã phát triển một phương pháp tính toán sự tương tác của các hạt chuyển động với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng (hạt tương đối tính), phương pháp này đi vào vật lý lý thuyết với tên gọi phương pháp “Tamm-Dankov”.

Viện sĩ Igor Evgenievich Tamp về mặt lý thuyết đã dự đoán sự tồn tại của các trạng thái năng lượng tự do (“bẫy”) trên bề mặt tinh thể bán dẫn. Họ bước vào một ngành khoa học gọi là “mức độ bề mặt của Tamm”.

Viện sĩ Sergei Ivanovich Vavilov và Pavel Alekseevich Cherenkov đã phát hiện ra hiệu ứng “electron siêu sáng”. Hoá ra là trong môi trường lỏng và rắn, các electron có thể chuyển động với tốc độ lớn hơn tốc độ ánh sáng trong môi trường này (nhưng tất nhiên là không lớn hơn tốc độ ánh sáng trong tánh không!). Các electron có thể đốt cháy ánh sáng mà chúng phát ra. Hiệu ứng này, gọi là “hiệu ứng Vavilov-Cherenkov”, đã tìm thấy một số ứng dụng thực tế có giá trị, đặc biệt là để ghi lại các hạt được tải nhanh (còn gọi là máy đếm hạt Cherenkov). Lý thuyết về hiệu ứng Vavilov-Cherenkov được tạo ra bởi các học giả Igor Evgenievich Tump và Ilya Mikhailovich Frank. Vì sự phát hiện và phát hiện ra hiện tượng này, P. A. Cherenkov, I. E. Tampa và I. M. Frank đã được trao giải Nobel năm 1958.

13

S. I. Vavilov.

Viện sĩ Vladimir Iosifovich Veksler đã phát hiện ra nguyên lý tự pha của các hạt được gia tốc trong máy gia tốc tuần hoàn mang tên ông. Công việc của tất cả các máy gia tốc tuần hoàn hiện đại - synchrotron, phasotron và synchrophasotron - đều dựa trên nó. Một thời gian sau, độc lập với Wexler, nguyên lý tương tự đã được nhà vật lý người Mỹ MacMillan phát hiện ra. Với phát hiện này, cả hai người đều đã được trao giải thưởng khoa học quốc tế.

Các phân tử phức tạp của tổ chức các chất có quang phổ bao gồm các dải phổ rộng liên tục. Giáo sư Eduard Vladimirovich Shpolsky đã chỉ ra rằng bằng cách hòa tan các chất hữu cơ trong các dung môi được chọn lọc đặc biệt và làm lạnh dung dịch thu được đến nhiệt độ rất thấp, có thể thu được quang phổ hấp thụ gồm các vạch quang phổ rất mịn có liên quan duy nhất đến cấu trúc và tính chất của các phân tử. Do đó, lĩnh vực quang học phân tử mới đã được tạo ra. Hiện tượng này được nhiều người gọi là “hiệu ứng Shpolsky” trong các tài liệu khoa học.

Chất bán dẫn, giống như các chất khác, có thể hấp thụ ánh sáng có bước sóng nằm trong giới hạn nhất định. Đối với ánh sáng có bước sóng dài hơn, chúng trong suốt. Vì vậy, có một giới hạn về bước sóng mà tại đó chất bán dẫn ngừng hấp thụ ánh sáng. Về mặt lý thuyết, Viện sĩ Leonid Veniaminovich Kelysh cho biết rằng dưới tác dụng của điện trường bên ngoài, ranh giới này sẽ hòa trộn về phía bước sóng dài hơn. Một dự đoán tương tự cũng được nhà vật lý người Đức Franz đưa ra. Chẳng bao lâu, Giáo sư Viktor Sergeevich Vavilov đã nhận được xác nhận thực nghiệm về hiện tượng này, ngày nay được gọi là “hiệu ứng Kelysh-Franz”.

Viện sĩ Sergei Nikolaevich Vernov và nhà vật lý người Mỹ Van Allen, sử dụng thiết bị khoa học lắp đặt trên các vệ tinh nhân tạo đầu tiên, đã độc lập phát hiện ra sự tồn tại của các dải bức xạ của Trái đất. Hóa ra Trái đất được bao quanh bởi nhiều lớp với mật độ ô nhiễm hạt ngày càng tăng. Những vùng này được gọi là “tầng bức xạ Vernov-Van Allen”.

Các học giả Alexander Mikhailovich Prokhorov và Nikolai Gennadievich Basov đã phát triển nền tảng của một lĩnh vực vật lý mới - điện tử lượng tử và tạo ra máy tạo phân tử lượng tử đầu tiên sử dụng phân tử aminac. Với những công trình xuất sắc này, năm 1964 họ cùng với nhà vật lý người Mỹ Townes đã được trao giải Nobel.

Các nhà khoa học trên khắp thế giới nghiên cứu các quá trình vật lý trong plasma nóng sử dụng rộng rãi các sắp đặt được gọi là từ tiếng Nga bất thường “TOKAMAK”. Đây là tên viết tắt của “buồng hình xuyến trong từ trường” - Các cơ sở nhiệt hạch của Liên Xô được phát triển và xây dựng tại Viện Năng lượng nguyên tử mang tên I.V. Kurchatov dưới sự lãnh đạo của Viện sĩ Lev Andreevich Artsimovich.

Biên niên sử được chuẩn bị bởi V. A. Letsikovtsev