Пётр Николаевич Лебедев (1866-1912)

Лебедев П. Н.

В историю мировой науки Пётр Николаевич Лебедев вошёл как искуснейший экспериментатор-физик, впервые обнаруживший и измеривший давление света. П. Н. Лебедев, наряду с М. В. Ломоносовым, - одна из замечательных фигур истории русской физики. Он был первым организатором коллективной научной работы в области физики и больших исследовательских лабораторий, ставших образцом для научных институтов в наши дни.

Пётр Николаевич Лебедев родился 8 марта 1866 года в Москве, в культурной купеческой семье. После обучения в реальном училище П. Н. Лебедев поступил в Московское техническое училище. Однако его манили к себе трудные принципиальные вопросы, выходящие далеко за программу изучаемых курсов. В архиве Академии наук СССР хранятся большие тетради юноши Лебедева, обнаруживающие его необыкновенное изобретательское остроумие, знания и вместе с тем особую серьёзность и сосредоточенность. Не окончив Технического училища, П. Н. Лебедев направился в 1887 г. за границу, в Страсбургский университет, изучать физику.

Здесь он работал у известного физика-экспериментатора Августа Кундта. Впоследствии П. Н. Лебедев написал замечательный некролог памяти Кундта, содержащий его подробную и трогательную характеристику. "Обладая замечательным физическим чутьём, - пишет Лебедев, - physikalische Nase, как он сам называл свой талант, Кундт угадывал связь между отдельными, разнородными явлениями, а также с удивительной ясностью схватывал сущность математически развитой теории и всегда умел ребром поставить такой вопрос, который, являясь наиболее смелым следствием теории, был бы доступен непосредственному экспериментальному исследованию". Эта характеристика Кундта может быть полностью применена и к самому П. Н. Лебедеву.

Кундт оставался в Страсбурге недолго. В 1888 г. он получил кафедру в Берлине, и П. Н. Лебедев отправился вслед за ним. Здесь, помимо занятий у Кундта, П. Н. Лебедев слушал теоретические лекции Гельмгольца.

Обучаясь в детстве в реальном училище, П. Н. Лебедев не изучал латинского языка. Поэтому он не смог сдать докторского испытания в Берлине, где знание древних языков было необходимым. Пришлось вернуться в Страсбург, - там латынь не требовалась. В Страсбурге П. Н. Лебедев быстро выполнил экспериментальную диссертационную работу, сдал экзамены и получил степень доктора философии. Диссертация П. Н. Лебедева называлась "Об измерении диэлектрических постоянных паров и о теории диэлектриков Моссотти-Клаузиуса". Эта превосходная работа, представленная в 1891 г., в своё время делалась для проверки следствий феноменологической теории диэлектриков, но она сохранила свой интерес и теперь в связи с более конкретнымим структурно-молекулярными представлениями нашего времени.

Из сохранившихся писем П. Н. Лебедева, относящихся к этому периоду жизни, видно, что он тогда многое написал и ещё о большем думал, помимо докторской работы. К 1890 г. относятся его занятия теорией кометных хвостов. Эти занятия и стали началом главного дела его жизни - исследований по световому давлению.

Ещё Сенека знал, что кометные хвосты отклоняются от Солнца. Кеплер, Ньютон и другие предполагали, что причиной этого отклонения может служить механическое давление света. В XVIII в. его пытались обнаружить на опыте и, действительно, находили. На поверку оказывалось, однако, что наблюдаемые явления вызываются вторичными тепловыми процессами и не имеют ничего общего со световым давлением.

Причин, конкурирующих во всяком опыте со световым давлением, было слишком много; с другой стороны, отсутствовали какие-либо представления о теоретической величине возможного давления света. В конце XVIII в. физик и астроном Харатсакер указывал, например, что, по мнению путешественников, солнечные лучи своим давлением замедляют движение Дуная. Впервые Максвелл на основании своей электромагнитной теории света вычислил теоретическое значение давления света, равное, для случая падения света на вполне поглощающую поверхность, частному от деления энергии света, приходящей в секунду, на скорость света. Для солнечного света, падающего на земную поверхность, это давление приблизительно равно пяти стомиллионным долям грамма на квадратный сантиметр. Позднее выяснилось, что любая волновая теория света приводит к такому же значению для светового давления, как и теория Максвелла, корпускулярная же концепция даёт величину вдвое большую. Таким образом, проблема светового давления насчитывала, по меньшей мере, три века; ею занимались такие физики и астрономы, как Кеплер, Ньютон, Эйлер, Френель, Максвелл, Больцман. Она имела основное значение для науки и всё же до конца XIX в. оставалась неразрешённой.

За эту труднейшую задачу и взялся П. Н. Лебедев. В 1891 г. появилась его заметка "Об отталкивательной силе лучеиспускающих тел". В ней, основываясь на известных данных о лучеиспускании Солнца, П. Н. Лебедев доказывает, что в случае очень малых частиц отталкивательная сила светового давления должна превосходить ньютоновское притяжение, и, таким образом, отклонение кометных хвостов, действительно, может объясняться давлением света. В конце своей заметки П. Н. Лебедев замечает, что его расчёты количественно не применимы для молекул, но качественно не теряют своей силы.

П. Н. Лебедев был прав, когда, взволнованный своими мыслями, он писал в частном письме: "Я, кажется, сделал очень важное открытие в теории движения светил, специально комет". В современной астрофизике громадная роль светового давления как космического фактора, наряду с ньютоновским притяжением, становится очевидной. Впервые физически обоснованное указание на это было сделано П. Н. Лебедевым.

Поставив своей задачей выяснение вопроса о механических силах, возникающих между излучающей и поглощающей молекулой, П. Н. Лебедев возвращается, полный планов, в Москву в 1891 г.

Он получает место ассистента в Московском университете при кафедре профессора А. Г. Столетова и в очень тяжёлых условиях устраивает свою лабораторию, оставаясь бодрым и полным творческой энергии.

Через три года, в 1894 г., появляется первая часть его большой работы, послужившей позднее докторской диссертацией "Экспериментальное исследование пондеромоторного действия волн на резонаторы". Ввиду исключительных качеств работы П. Н. Лебедеву была присуждена степень доктора без предварительной защиты магистерской диссертации и соответствующих экзаменов, - случай, весьма редкий в практике университетов. Первая часть этой работы посвящена экспериментальному изучению взаимодействий электромагнитных резонаторов, вторая - гидродинамическим резонаторам (колеблющиеся шарики в жидкости), третья - акустическим. На опыте (в согласии с теорией) была обнаружена тождественность этих различных случаев. С экспериментальной стороны работа была образцом тщательности, остроумия и, если можно так выразиться, ювелирного мастерства П. Н. Лебедева. "Главный интерес исследования пондеромоторного действия волнообразного движения, - писал автор, - лежит в принципиальной возможности распространить найденные законы на область светового и теплового испускания отдельных молекул тел и предвычислять получающиеся при этом междумолекулярные силы и их величину".

Работа была закончена в 1897 г. Давление волн было исследовано на моделях. Это было вторым этапом основного дела П. Н. Лебедева. Предстояла третья, самая важная стадия - попытка преодолеть трудности, встречавшиеся в течение веков многими безуспешными предшественниками П. Н. Лебедева, и обнаружить и измерить давление света в лаборатории.

В 1900 г. и этот этап завершается полным успехом. Световое давление было найдено. П. Н. Лебедеву удалось отчленить от него мешающие, так называемые радиометрические, силы и конвекционные потоки и измерить его. По виду прибор П. Н. Лебедева был простым. Свет от вольтовой дуги падал на лёгкое крылышко, подвешенное на тонкой нити в стеклянном баллоне, из которого выкачан воздух, и по закручиванию нити можно было судить о световом давлении. В действительности за этой простотой скрывались бесчисленные преодолённые трудности. Крылышко на самом деле состояло из двух пар тонких платиновых кружочков. Один из кружков каждой пары был блестящим с обеих сторон, у двух других одна сторона была покрыта платиновой чернью. При этом обе пары кружков различались толщиной. Для того чтобы исключить конвекцию (движение) газа, возникающую при различии температур крылышка и стеклянного баллона (различие температур возникало при поглощении света крылышком), свет направлялся то на одну, то на другую сторону крылышка. Поскольку в обоих случаях конвекция одна и та же, разница получаемых отклонений не зависит от конвекции. Радиометрические силы прежде всего по мере возможности ослаблялись (увеличением объёма баллона и уменьшением давления). Кроме того, радиометрическое действие можно было учесть, сравнивая результат при падении света на толстый и тонкий зачернённый кружок. П. Н. Лебедев по праву и с гордостью мог закончить своё сообщение короткой фразой: "Таким образом, существование максвелло-бартолиевых сил давления опытным путём установлено для лучей света".

Опыты П. Н. Лебедева доставили ему мировую славу и навеки вписали его имя в историю экспериментальной физики. В России он получил за эти опыты премию Академии наук и затем был избран в члены-корреспонденты Академии. О том впечатлении, которое произвели опыты П. Н. Лебедева на учёный мир, говорят, например, слова прославленного английского физика лорда Кельвина, сказанные знаменитому русскому учёному К. А. Тимирязеву: "Вы, может быть, знаете, что я всю жизнь воевал с Максвеллом, не признавая его светового давления, и вот ваш Лебедев заставил меня сдаться перед его опытами".

Однако П. Н. Лебедев не считал задачу оконченной. Для космических явлений основное значение имеет не давление на твёрдые тела, а давление на разреженные газы, состоящие из изолированных молекул. Между тем, в отношении строения молекул и их оптических свойств в первом десятилетии нашего века оставалось ещё много неясностей. Неясно было, как можно перейти от давления на отдельные молекулы к давлению на тело в целом. Теоретическое состояние вопроса в то время, коротко говоря, было таково, что требовалось экспериментальное вмешательство.

Стоявшая перед П. Н. Лебедевым экспериментальная задача была на этот раз ещё более трудной, чем прежняя, и попытки решить её длились десять лет. Но и на этот раз экспериментальное искусство П. Н. Лебедева преодолело все трудности. В миниатюрном приборе П. Н. Лебедева газ под давлением поглощаемого света получал вращательное движение, передающееся маленькому поршню, отклонение которого могло измеряться смещением зеркального "зайчика". Самая главная трудность опыта - устранение неизбежной конвекции газа в приборе - была преодолена П. Н. Лебедевым остроумным приёмом подмешивания к исследуемому газу водорода. В отличие от других газов водород - хороший проводник тепла, быстро выравнивающий неоднородности температуры в сосуде. Этот приём и явился решающим. Новые опыты П. Н. Лебедева, опубликованные в 1910 г., были встречены мировой физической общественностью с восторгом. Британский Королевский институт избрал П. Н. Лебедева своим почётным членом. Блестящий физик-экспериментатор В. Вин в письме русскому физику В. А. Михельсону писал, что П. Н. Лебедев владел "искусством экспериментирования в такой мере, как едва ли кто другой в наше время".

Установка, на которой П. Н. Лебедев доказал существовал светового давления на газы

На этом кончилась изумительная серия работ П. Н. Лебедева по световому давлению. Её прервала его преждевременная смерть. Разгадка вопроса о световом давлении, однако, ещё не была доведена до конца. Оставались экспериментально необследованными специальные случаи давления эллиптически поляризованного света, а самое главное, ещё не удалось экспериментально обнаружить характер светового давления на отдельную частицу вещества. Это сделал много позднее А. Комптон, наблюдавший элементарный эффект светового давления и рассеяния лучей Рентгена и гамма-лучей на электроны в камере Вильсона. Элементарное световое давление оказалось квантовым, имеющим прерывный характер. Световое давление, измерявшееся П. Н. Лебедевым, было средним статистическим значением давлений в множестве элементарных процессов. П. Н. Лебедеву не пришлось принять участие в раскрытии статистической природы явления, мастерскому исследованию которого он посвятил свою жизнь.

Число других работ П. Н. Лебедева невелико. Но каждая из них важна и сохранила своё значение и теперь. В первые годы в Москве он выполнил снова поразительное по мастерству опыта исследование "О двойном преломлении лучей электрической силы", экспериментируя с электромагнитными волнами длиною в 6 миллиметров, миниатюрным "николем" и "пластинкой в четверть волны" из кристаллической серы. В 1902 г. он опубликовал короткую, но весьма важную для физических измерений и техники статью "Термоэлементы в пустоте, как прибор для измерения лучистой энергии". Принцип термоэлемента в вакууме, выдвинутый П. Н. Лебедевым, в настоящее время широко распространён, в частности, в военной технике. В связи с одной из гипотез о природе земного магнетизма П. Н. Лебедев видоизменил опыт Гильберта, имевший целью попытку возбудить в проводнике электрический ток при его движении в эфире. Исходя из предположения о движении Земли в неподвижном эфире, П. Н. Лебедев решил воспользоваться этим движением; он поставил опыт, как обычно, с максимальной тщательностью, но получил отрицательный результат. Правда, этот опыт не столько опровергал гипотезу Роуланда-Гильберта, сколько предположение о неподвижном эфире.

Последняя, предсмертная, экспериментальная работа П. Н. Лебедева также касалась природы земного магнетизма. Он хотел на опыте с вращающейся моделью Земли проверить гипотезу Сэзерланда, в которой магнитное действие вращающейся Земли объяснялось смещением разноимённых зарядов в нейтральном атоме. Этот трудный опыт дал также отрицательный результат.

Работая в Московском университете, П. Н. Лебедев главное внимание уделял исследовательской работе своих студентов и сотрудников. Он, правда, читал, как и прочие профессора, лекции, издал даже краткий конспект этих лекций, но по существу мало увлекался преподавательской работой. Его первая лекция к начинающим студентам всегда содержала, главным образом, призыв к ним сделаться исследователями, не боясь трудностей. Он впервые в России отважился организовать физическую лабораторию с относительно очень большим числом работающих лиц. В 1901 г. у него работало только трое, в 1910 г. число работающих достигло 28. Если принять во внимание, что все темы работ были даны и тщательно продуманы (вплоть до чертежей приборов) самим П. Н. Лебедевым, что лаборантов не было, механиками и стеклодувами были сами работающие, что средства лаборатории и оборудование были крайне ограниченными, что она помещалась в мало комфортабельном подвале, то станет понятным огромное напряжение и энергия, требовавшиеся от П. Н. Лебедева для руководства этой лабораторией. Между тем, из неё год за годом всё чаще выходил ряд хороших и отличных работ, на многих из которых чувствовалась мастерская рука учителя. П. Н. Лебедев стал пионером замечательного и для России совсем нового дела - большой коллективной исследовательской работы. Впоследствии, в 1911 г., в газетной статье "Русское общество и русские национальные лаборатории", помещённой в "Русских Ведомостях", П. Н. Лебедев довольно подробно изложил свою точку зрения и доводы, говорящие о пользе и необходимости создания больших исследовательских лабораторий. Это была первая декларация системы организации науки, реализованной в полной мере только в СССР.

В 1911 г., в эпоху максимального расцвета деятельности и славы П. Н. Лебедева в Московском университете, в результате реакционных действий царского правительства, и в особенности тогдашнего Министерства народного просвещения, наиболее талантливая и либеральная часть профессуры должна была покинуть университет и искать себе приюта в других учебных заведениях или просто опереться на помощь частных лиц. В знак протеста против действий министра просвещения Л. Кассо подал в отставку и П. Н. Лебедев, и вместе с ним из университета ушли его сотрудники, работавшие в его лаборатории. Было разрушено громадное дело. П. Н. Лебедевым тотчас же были получены приглашения от заграничных научных учреждений. В частности, директор физико-химической лаборатории Нобелевского института в Стокгольме проф. Аррениус писал ему: "Естественно, что для Нобелевского института было бы большой честью, если бы Вы пожелали там устроиться и работать, и мы, без сомнения, предоставили бы Вам все необходимые средства, чтобы Вы имели возможность дальше работать... Вы, разумеется, получили бы совершенно свободное положение, как это соответствует Вашему рангу в науке". Но П. Н. Лебедев отказался от всех этих предложений. Он остался на родине и в крайне тяжёлых условиях, на частные средства, пользуясь общественной помощью, организовал новую физическую лабораторию. В Мёртвом переулке (дом № 20) в Москве был снят подвал, где в 1911 г. в нескольких комнатах расположилась его лаборатория. Здесь он окончил свою последнюю экспериментальную работу по магнетометрическому исследованию вращающихся тел. Частными жертвователями были собраны средства на постройку нового физического института для П. Н. Лебедева по плану, составленному им самим. Институт этот, однако, был достроен только в 1916 г., спустя четыре года после смерти Лебедева. Это здание в настоящее время принадлежит Академии наук СССР; в нём помещается Физический институт имени П. Н. Лебедева экспериментальную работу по магнетометрическому исследованию вращающихся тел. Частными жертвователями были собраны средства на постройку нового физического института для П. Н. Лебедева по плану, составленному им самим. Институт этот, однако, был достроен только в 1916 г., спустя четыре года после смерти Лебедева. Это здание в настоящее время принадлежит Академии наук СССР; в нём помещается Физический институт имени П. Н. Лебедева.

Физический институт Академии наук СССР имени П. Н. Лебедева (в настоящее время это здание значительно расширено и перестроено)

14 марта 1912 года П. Н. Лебедева не стало. Он умер в 46 лет и был похоронен на Алексеевском кладбище. В 1935 г., в связи с ликвидацией кладбища, прах П. Н. Лебедева перенесен на кладбище Новодевичьего монастыря.

На смерть П. Н. Лебедева откликнулся весь ученый мир. Было прислано много телеграмм и писем от выдающихся ученых, среди которых были Рентген, Нернст, Аррениус, Томсон, Варбург, Рубенс, Крукс, Кюри, Риги и другие.

В лице П. Н. Лебедева Россия потеряла не только великого ученого, но и замечательного организатора науки, мысли и начинания которого полностью могли осуществиться только с Советской России.

Главнейшие труды П. Н. Лебедева: Собрание сочинений, изд. Физич. общества им. П. Н. Лебедева, М., 1913 [ I. Научные статьи: Об измерении диэлектрических постоянных паров и теории диэлектриков Моссотти-Клаузиуса (страсбурская диссертация), 1891; Об отталкивающей силе лучеиспускающих тел, 1891; О двойном преломлении лучей электрической силы, 1895; Эксперементальное исследование пондеромоторного действия волн на резонаторы (докторская диссертация), 1894-1897; Опытное исследование светового давления, 1901; Термоэлементы в пустоте, как прибор для измерения лучистой энергии, 1902; Опытное исследования света на газы, 1910; Магнитометрическое исследование вращающихся тел, 1911 и др. II. Популярные статьи и речи: О движении звёзд по спектроскопическим исследованиям, 1892; Август Кундт, 1894; Об открытых Рентгеном х-лучах, 1896; Экспериментальная работа А. Г. Столетова, 1898; Способы получения высоких температур, 1899; Скала электромагнитных волн в эфире, 1901; Успехи акустики за последние 10 лет; 1905; Русское общество и русские национальные лаборатории, 1911; Памяти первого русского учёного (М. В. Ломоносов), 1911; Давление света, 1912 и др.].

О П. Н. Лебедеве:Лазарев П. П., П. Н. Лебедев (биографический очерк) в "Собр. соч." П. Н. Лебедева, М., 1913; Его же, П. Н. Лебедев и русская физика, "Временник общества содействия успехам опытных наук им. X. С. Леденцова", в. 2; Чарновский Н. Ф., Характеристические черты деятельности П. Н. Лебедева в Совете общества им. X. С. Леденцова, там же; Лазарев П. П., Лебедевская лаборатория при университете Шанявского, там же, 1913, в. 1; Кравец Т. П., П. Н. Лебедев и созданная им физическая школа, "Природа", 1913, № 3 (есть отд. оттиск); 3ернов В. Д., Пётр Николаевич Лебедев, "Учёные записки Московского университета", в. LII, Физика, М., 1940; Капцов Н. А., Школа Петра Николаевича Лебедева, там же.