Развитие теоретической физики советскими учёными

XIX век не знал разделения физики на экспериментальную и теоретическую. Гельмгольц, Максвелл, Рэлей и другие с одинаковым успехом работали и в экспериментальной и в теоретической физике. Столетов и Умов были также представителями «общей физики». Если у Умова' преобладали теоретические работы, то, например, П. Н. Лебедев был чистым экспериментатором, но наряду с этим он выдвигал интересные теоретические идеи о взаимодействии молекул, отталкивательной силе лучеиспускания, магнетизме вращения. Все же в его творчестве преобладал эксперимент, тогда как у Умова преобладала теория.

Теоретическая физика начала выделяться из физики в конце XIX в. М. Планк рассказывал, как настороженно встретили его, теоретика, в Берлине. Чистая теория казалась чем-то экстравагантным для физиков гельмгольцевской и кундтовской школы. Глубокий теоретик Больцман считал разделение физики на теоретическую и экспериментальную временным явлением. Однако усложнение задач физических исследований, возросшая роль теоретических обобщений привели к развитию теоретической физики за рубежом и у нас.

Следует отметить, что советская теоретическая физика явилась (как и вся физика, но теоретическая в особенности) детищем социальной и научной революции, и вождь Октябрьской революции В. И. Ленин, как мы знаем, подверг марксистскому анализу первый этап научной революции. Теория атома, теория относительности, статистическая физика усиленно разрабатывались и за рубежом и в Советской республике. Примечательно, что в Петрограде, находившемся в 1919 г. в полосе гражданской войны, Д. С. Рождественский посвятил свой, упоминавшийся нами доклад 15 декабря 1919 г. теории спектров атомов щелочных металлов, развивая идеи Бора. Доклад Рождественского привлек внимание Бора, и он упоминал о нем в своих работах.

Д. С. Рождественский был организатором и руководителем Атомной комиссии, начавшей свою работу в январе 1920 г. В заседаниях комиссии принимали участие не только физики, но и математики и механики. Так, комиссия слушала доклад известного механика, академика, будущего Героя Социалистического Труда Алексея Николаевича Крылова (1863—1945) «Некоторые замечания о движении электронов в атоме гелия»; механик и математик, работавший в области теории упругости, Николай Иванович Мусхелишвили, будущий президент Грузинской академии наук, делал доклад «Задача о движении электрона, притягиваемого к неподвижному центру (ядру) в постоянном электрическом поле». На заседании Атомной комиссии выступали с докладами математик Я. Д. Тамаркин, гидромеханик и метеоролог А. А. Фридман.

Модель атома Бора привлекала математиков и механиков своим сходством с планетарной системой. Методы Гамильтона — Якоби нашли в ней богатое поле приложения. В известной книге немецкого теоретика Арнольда Зоммерфельда «Строение атома и спектры» изложению этих методов было посвящено специальное дополнение. Книга другого немецкого математика, Макса Борна, «Лекции по атомной механике», вышедшая накануне создания квантовой механики, в значительной части была посвящена изложению метода Гамильтона—Якоби, каноническим преобразованиям и квазипериодическим системам. Все это было очень близко специалистам по классической механике и математической физике. В Петербурге со времен Эйлера это направление успешно развивалось в Академии наук, а затем и в Петербургском университете. Исследования по механике и математической физике оказали существенное влияние на развитие теоретической физики в Петербурге.

Одним из основателей советской теоретической физики был Юрий Александрович Крутков (1890—1952), начавший теоретическую работу в Оптическом институте. В «Трудах Оптического института» появилась его обширная статья по теории адиабатических инвариантов. «Гипотеза квантов, — писал Крутков в этой статье, — обладает той особенностью, что она, несмотря на почти двадцатилетнее существование, вовсе не получила общей формулировки, позволяющей прилагать ее к частным вопросам». Это очень точная характеристика тогдашней квантовой теории.

Гипотеза квантования не вытекала из каких-либо общих соображений, она вносилась в классическую механику как нечто внешнее. «В каждом отдельном случае, — продолжал Крутков, — физическому чутью исследователя предоставлен широкий или, вернее, почти полный произвол. Решение «адиабатической» задачи уменьшает этот произвол настолько, что во многих случах его можно считать исчезающим».

«Таким образом, — заключает Крутков, — наш метод, не давая, конечно «объяснения» гипотезе квантов, на что он и не может претендовать, дает ей твердое обоснование. Всякая попытка «квантовать» неадиабатические инварианты должна быть без всякого обсуждения отброшена».

Таким образом, развитый Ю. А. Крутковым вслед за П. С. Эренфестом, на которого он ссылается в своей статье, метод адиабатических инвариантов играл существенною роль в развитии квантовой теории до создания квантовой механики.

Проблема теории атома интересовала и другого ленинградского теоретика, работавшего в физико-техническом институте, — Якова Ильича Френкеля.

Я. И. Френкель. Яков Ильич Френкель родился в Ростове-на-Дону 10 февраля 1894 г. Обладая выдающимися способностями, он окончил Петербургский университет за три года (1913— 1916) и был оставлен при университете. Уже в 1917 г. он сдал магистерские экзамены, бывшие тогда камнем преткновения для начинающих ученых. В том же, 1917 г. Я. И. Френкель работает в семинаре А. ф. Иоффе (напомним, что Иоффе .не был связан с университетом) и публикует ряд статей на тему «Строение атома в свете радиоактивных излучений». Другой работой Френкеля того же года была статья «Об электрическом двойном слое на поверхности твердых тел». Эти две ранние работы как бы предопределили дальнейший научный путь Я. И. Френкеля. Он с успехом занимался атомной и ядерной физикой, проблемой электропроводности металлов и диэлектриков, молекулярной физикой и позднее атмосферным электричеством. Его большая научная работа в различных областях теоретической физики, доставившая ему мировую известность, сочеталась с многогранной педагогической и популяризаторской деятельностью.

С 1918 по 1921 г. Я. И. Френкель жил и работал в Крыму, где подвергался репрессиям со стороны белогвардейцев, захвативших Крым. Вернувшись в 1921 г. в Петроград, он начал работать теоретиком физико-технического института и преподавателем физико-механического факультета Политехнического института. Плодом его педагогической деятельности были известные учебники: «Курс векторного исчисления с приложениями к механике», «Электродинамика», «Волновая механика», «Статистическая физика».

Отметим одно существенное обстоятельство. В дореволюционной России оригинальные учебники для высшей школы имели ограниченный круг читателей, они обычно издавались литографским путем, как пособие для слушателей. Наиболее фундаментальными пособиями были иностранные книги. Так, до появления «Электродинамики» Френкеля и «Основ теории электричества» Тамма русские физики изучали теорию электричества по немецкому курсу Абрагама. Оригинальные русские учебники не были известны за границей. Я. И. Френкель «прорубил окно» не только в Европу, но и в Америку, где он читал лекции. Его «Электродинамика» вышла сначала на немецком языке, «Волновая механика»—на английском. Готовя русский текст, он обычно писал книги заново, расширяя и дополняя материал. Важной особенностью учебников Френкеля была их органическая связь с его собственными научными исследованиями. Это особенно отмечается в «Электродинамике», которой предшествовал цикл статей Френкеля по динамике точечных электронов. Вполне оправданным явилось включение ее в академическое собрание трудов Френкеля. Но и «Статистическая физика» и «Волновая механика» представляют по сути дела оригинальные научные труды Френкеля. Последняя его монография — «Кинетическая теория жидкостей» (1945) ныне считается основополагающим трудом по теории жидкостей.

Столь же тесно связаны с научным творчеством Френкеля и его популярные книги и статьи. В 20-х годах вышли его книги «Строение материи», «Электрическая теория твердых тел», «Электричество и материя». Здесь в популярной форме излагались глубокие научные идеи Френкеля: идея «коллективизированных» электронов, объясняющая существование гомеополярных молекул и электропроводности металлов, идея «дырок» («дефекты по Френкелю»), ставшая в своем развитии плодотворной идеей современной теоретической физики.

Для научного мышления Френкеля характерно сочетание необычайно физических модельных представлений с глубокой математической разработкой этих представлений. Мышление Френкеля было подлинно «физическим», и этим оно существенно отличалось от «математичности» современных теоретиков. По типу своего научного мышления Френкель был близок Эйнштейну и ферми.

Плодотворная, многосторонняя научная деятельность Я. И. Френкеля, одного из основателей советской теоретической физики, оборвалась 23 января 1952 г.

Остановимся на другом представителе советской теоретической физики — механике и метеорологе А. А. Фридмане.

Александр Александрович Фридман родился в Петербурге 17 июня 1888 г. Окончив в 1910 г. Петербургский университет, он был оставлен при университете для подготовки к профессорскому званию. С этого же года А. А. Фридман начал педагогическую деятельность, работая преподавателем математики в Петербургском институте инженеров путей сообщения.

Учитель Фридмана Владимир Андреевич Стеклов (1864—1926) был одним из крупнейших специалистов по математической физике и дифференциальным уравнениям. С 1919 г. он был вице-президентом Академии наук и одним из первых ученых начал сотрудничать с Советской властью. Он был организатором физико-математического института Академии наук, из которого в 1934 г. возникли два института: физический институт АН СССР имени П. Н. Лебедева и Математический институт АН СССР имени В. А. Стеклова.

В 1913 г. А. А. Фридман сдал магистерские экзамены и начал заниматься динамической и синоптической метеорологией в Аэрологической обсерватории в Павловске. С этого же года начали публиковаться его метеорологические работы.

В годы первой мировой войны Фридман служил в действующей армии летчиком-наблюдателем. В армию он пошел добровольцем и возглавил здесь аэронавигационную службу. Им были составлены таблицы по бомбометанию и налажено обучение летчиков-наблюдателей.

После революции А. А. Фридман преподает в Пермском университете, а с 1920 г. работает старшим физиком Главной геофизической обсерватории. После организации физико-механического факультета А. ф. Иоффе пригласил Фридмана читать курс механики на этом факультете.

В 1922 г. вышел фундаментальный труд А. А. Фридмана «Опыт гидродинамики сжимаемой жидкости», ставший его докторской диссертацией. В том же году была опубликована его статья «О кривизне пространства». За этой статьей последовала статья «О возможности мира с постоянной отрицательной кривизной» и статья, опубликованная в «Журнале Русского физико-химического общества» за 1924 год «О кривизне мира». В 1923 г. вышла книга Фридмана «Мир как пространство и время». Затем А. А. Фридман в содружестве с другим петербургским теоретиком — В. К. фре-дериксом готовит курс по теории относительности. Но смерть Фридмана, последовавшая 16 сентября 1925 г., оборвала работу над этим курсом. Вышла только первая часть, содержащая тензорное исчисление.

А. А. Фридмана в теоретическую физику являются его работы о кривизне Вселенной. В своей работе 1917 г. «Вопросы космологии и общая теория относительности» Эйнштейн написал космологическое релятивистское уравнение и дал его решение, соответствующее постоянной положительной кривизне Вселенной (стационарное решение). Это решение интерпретировалось многими как свидетельство конечности Вселенной. Фридман резко выступил против этого утверждения, показав, что оно никак не вытекает из метрики мира. В своей книге «Мир как пространство и время» он писал: «Одна метрика мира не дает нам никакой возможности решить вопрос о конечности Вселенной. Для решения этого вопроса нужны дополнительные теоретические и экспериментальные исследования».

В работе 1922 г. Фридман, анализируя уравнение Эйнштейна, показал, что существуют не только стационарные решения, но и нестационарные, в которых кривизна Вселенной зависит от времени. Эйнштейн быстро реагировал на статью Фридмана, опубликованную a «Zeitschrift fur Physik», и уже в следующем номере журнала опубликовал заметку, в которой утверждал, что выводы Фридмана ошибочны. Фридман тщательно проанализировал аргументы и вычисления Эйнштейна и нашел в них ошибку. Ю. А. Крутков во время заграничной поездки посетил Эйнштейна и информировал его о выводе Фридмана. Эйнштейн вынужден был признать свою ошибку.

В 1945 г. Эйнштейн, готовя новое издание своих лекций по теории относительности (они были переведены позднее на русский язык под заглавием «Сущность теории относительности»), добавил параграф «О космологической проблеме», где рассказал о трудностях проблемы и указал, что выход из этих трудностей был найден Фридманом. «Его результат, — писал Эйнштейн, — затем получил неожиданное подтверждение в открытом Хэбблом расширении звездной системы, в красном смещении спектральных линий, которое растет с расстоянием». Эйнштейн резюмирует далее: «Одно уже требование пространственной изотропии Вселенной приводит к схеме Фридмана. Не вызывает поэтому никаких сомнений, что это наиболее общая схема, дающая решение космологической проблемы».

Это явное свидетельство того, что молодая советская теоретическая физика уже в годы своего становления вышла на передовые рубежи мировой науки.

В Москве проблемами теоретической физики занимался рано умерший профессор Московского университета Сергей Анатольевич Богуславский (родился 1 декабря 1883 г., умер 3 сентября 1923 г.). Его интересовали проблемы электроники, статистической физики и теории атома. Данный им вывод зависимости термоэлектронного тока от напряжения на сетке (формула Лэнгмю-ра) позволяет считать найденную закономерность законом Лэнгмюра — Богуславского. Богуславский разрабатывал также теорию пироэлектрических явлений. Его диссертация «Основы молекулярной физики и применение статистики к вычислению термодинамических потенциалов» была важным вкладом в статистическую термодинамику, несмотря на некоторые ошибочные утверждения.

С. А. Богуславский развил метод расчета движения электронов в электрических и магнитных полях, предвосхищая будущие потребности электроники и физики плазмы. Но его монография «Пути электронов в электромагнитных полях» была опубликована только спустя шесть лет после его смерти.

К числу молодых советских теоретиков, работавших в годы становления советской физики, относится будущий академик и Герой Социалистического Труда Игорь Евгеньевич Тамм и будущий академик, Герой Социалистического Труда Владимир Александрович фок, который еще студентом принимал участие в работе Атомной комиссии Рождественского.

Таким образом, в трудные годы становления советской науки начала создаваться советская теоретическая физика, превратившаяся в наши дни в мощный отряд современной теоретической физики.