II

Cтроительство и начало работы института физических проблем

Из доклада на заседании Группы физики Академии наук СССР.

1937

Институт был основан постановлением правительства от 28 декабря 1934 г. и назван Институтом физических проблем. Это несколько необычное название должно отразить собою то, что институт не будет заниматься какой-либо определенной областью знания, а будет, вообще говоря, институтом, изучающим различные научные проблемы, круг которых определится тем персоналом, теми кадрами ученых, которые в нем будут работать. Таким образом, этот институт предназначается для чистой, а не прикладной научной работы. Я пользуюсь не особенно популярным термином "чистая наука", так как не знаю, чем заменить это слово. Иногда говорят - теоретическая наука, но теоретической является всякая наука. По существу pure science или reine Wissenschaft - это вполне установившееся понятие. Между прикладной и чистой наукой имеется только одно различие: в прикладной науке научные проблемы идут из жизни, в то время как чистые науки сами ведут к прикладным результатам, потому что никакое научное знание не может остаться неприложенным к жизни,- оно так или иначе найдет свое применение и даст практические результаты, хотя и трудно предвидеть, когда и как это произойдет.

При создании института не имелось в виду отыскание и решение разнообразных проблем физики. Мне было предложено взять руководство институтом и продолжать в нем те работы, которые в течение 13 лет я вел в Англии. Там я работал над проблемой сильных магнитных полей и, в связи с этим, над получением низких температур. Это и были те основные проблемы, которыми вначале должен был заниматься Институт физических проблем.

Я коснусь теперь чисто строительных вопросов и изложу те идеи, которые были положены в основу строительства института.

Строительство и начало работы института физических проблем

Первым вопросом был выбор места. Это чрезвычайно важный вопрос. Большинство физических измерений производится, как известно, очень чувствительными приборами, поэтому надо было удалить институт от источников различных мешающих влияний. Этих мешающих влияний в городах достаточно много: сотрясение от уличного движения, индукционные токи от трамвайных линий и от расположенных поблизости радиостанций и т. п. Выбору участка было посвящено поэтому много времени, и я не знаю, можно ли было бы получить лучший участок, чем тот, на котором институт находится. По-моему, местоположение института надо признать идеальным: здание института расположено в 80 м от трамвайной линии и уличные сотрясения доведены до минимума.

Фронтальная линия участка института (в виде треугольника) занята жилыми строениями, а научная часть Помещена в глубине участка.

При проектировании института был принят следующий план. Рабочая, лабораторная часть здания, в которой будут производиться опыты, вся расположена в первом этаже. Это необходимо при работе с жидким гелием и водородом, которые нужно переносить в лаборатории,- для безопасности и удобства гораздо лучше сосредоточить все это на одном этаже. Кроме того, на первом этаже гораздо спокойнее в отношении всяких сотрясений.

На первом этаже находится зал, где расположена ожижительная аппаратура, над залом сделан балкон. Второй этаж над этим помещением отсутствует, а крыша сделана из легкого материала. Это необходимо для того, чтобы эффект взрыва, который может произойти вследствие какой-либо случайности, был минимальным.

Второй этаж здания предназначается только для административных и хозяйственных целей: тут находится бухгалтерия, красный уголок, залы и кабинеты дирекции.

В нашем институте нет системы пропусков: на нижний этаж никто не может попасть непосредственно, так как всякий посетитель сразу же проходит на второй этаж и направляется в канцелярию, из которой можно попасть в нижний этаж только через кабинет директора. В то же время сотрудники имеют вход в кабинет директора из своих комнат по внутренней лестнице; таким образом устанавливается непосредственная связь между руководителем института и научными работниками.

Часть подвала здания института занята котельной, а другая - отведена для работ, при которых применяется аппаратура большой чувствительности. Там сделан специальный фундамент на резине. Одна комната отделана бариевой штукатуркой для рентгеновской аппаратуры, другая комната предназначена для спектроскопии.

Институт проектировался как самостоятельная единица, т. е. должен был иметь свои мастерские, библиотеку и т. п., чтобы он мог жить совершенно самостоятельной жизнью. Но это, конечно, неправильно, это только временно, так как наш институт должен быть частью всех головных институтов Академии наук, и когда последние будут построены вблизи друг от друга, то его хозяйство, его административную часть можно будет значительно уменьшить. Конечно, тогда не будет иметь смысла сохранять и свою полную библиотеку, так как можно будет пользоваться библиотекой Академии наук. То же относится и к мастерским - они сейчас, может быть, чересчур велики, но нам пока что надо иметь свое собственное хозяйство.

Что касается самого строительства института, то оно велось в течение двух лет, хотя должно было быть закончено в один год. Наши строители оказались не на высоте положения. Несмотря на то, что снабжение материалами шло без всяких перебоев и в них никогда не было никакого недостатка, строительство было недостаточно хорошо организовано и не могло быть закончено в намеченный срок. И качество строительства правительственная комиссия смогла признать только удовлетворительным. Это очень жаль, потому что проект здания, по-моему, очень привлекательный, и его следовало бы осуществить тщательнее...

Я хочу теперь указать на ряд мелких деталей в устройстве нашего лабораторного хозяйства.

Это, во-первых, вся система электрического снабжения, аккумуляторные батареи со швейцарским щитом, который стоит в большом зале и дает возможность подавать любой вольтаж в любую комнату. Проводка из комнат присоединена непосредственно к щиту; когда одни и те же батареи используются несколькими сотрудниками, происходит лишь очень малое падение напряжения, так что сотрудники не мешают друг другу.

Затем машинный зал с мотор-генераторами. Ток от любого мотор-генератора может быть подан в любую комнату, причем ток до нескольких сотен ампер регулируется простым ползунковым реостатом, устанавливающим силу тока в обмотках возбуждения динамо. В целях защиты линии вся проводка заключена в стальные и железные трубы, и вся эта система хорошо заземлена. Хорошая система заземления имеется вокруг всего института, так что при желании можно каждой комнате дать отдельную "землю".

Каждые две соседние лаборатории имеют общую фотографическую комнату. Всюду предусмотрено затемнение. Электрические лампочки молено включать не только параллельно, но и последовательно и таким образом создавать в комнатах полумрак. В каждой комнате имеется хромированный кран с очень тонкой регулировкой подачи воды. Кроме того, в каждую комнату подаются сжатый воздух и газ.

При институте создана хорошая мастерская, в которой может быть изготовлен почти любой сложный физический прибор. Мастерская снабжена точными станками, и мы можем с гордостью сказать, что большинство станков нашего советского производства.

В специальном помещении находится стеклодувная. Она достаточно просторна и снабжена хорошей вентиляцией.

Наконец, имеется и столярная мастерская, оборудованная строгальными машинами.

Теперь я перейду к самому существенному - к тому специальному оборудованию, которое имеется в нашем институте и которое прибыло из Англии. Ставился вопрос о том, делать ли это специальное оборудование у нас в Союзе или же получить его из Англии. Сделать это оборудование у нас в Союзе, конечно, было возможно, так как наша советская промышленность на достаточной высоте, чтобы сделать все, что делается за границей. Но все-таки сделать такое оборудование в Союзе оказалось чрезвычайно трудно. Трудность заключается в том, что наша промышленность не приспособлена для обслуживания научной работы: все делается в больших масштабах; мелкое, несерийное машиностроение почти отсутствует. В подобных случаях приходится обращаться к инструментальным цехам заводов, но тогда цены на отдельные специальные предметы достигают чрезвычайных размеров, а сроки изготовления получаются невероятно долгие. Нам, ученым, надо добиваться, чтобы промышленность шла нам навстречу, помогала бы нам, нам надо больше заинтересовывать ее.

Специальное оборудование было получено из Англии. Я обязан этим своему большому другу и учителю Резерфорду, который убедил Кембриджский университет продать Советскому Союзу оборудование Мондовской лаборатории. Оборудование прибыло и уже полностью установлено. Это оборудование состоит, во-первых, из машины для получения сильных магнитных полей. Эта машина была построена еще 12-14 лет тому назад. Она представляет собой однофазный генератор, который дает большие мощности при коротких замыканиях. Я не могу останавливаться на деталях этой машины, так как это могло бы занять чересчур много времени, но основная идея ее работы очень проста. В получении сильных магнитных полей в электромагните мы ограничены явлением магнитного насыщения железа. Если железо насыщено, то идти дальше мы можем очень медленно. Сила магнитного поля пропорциональна логарифму линейных размеров магнита. Построив магнит весом более 100 т, как это сделал Коттон в Париже, затративший на него несколько миллионов франков, мы выиграем только 25% в увеличении магнитного поля по сравнению с лабораторным магнитом обычного типа. Поэтому надо было идти по другому пути.

Этот другой путь, который мы и выбрали, заключается в следующем. Надо было отказаться от получения постоянных полей и перейти к получению кратковременных полей, т. е. пропускать через катушку очень сильные токи, создающие в ней сильное магнитное поле, но в течение столь короткого времени, что катушка не успевает нагреться. На рисунке на с. 135 показана катушка, в которую можно загнать несколько десятков тысяч киловатт на одну сотую долю секунды. За одну сотую секунды катушка нагревается на 100°С. Если бы мы продолжали опыт в течение секунды, она нагрелась бы до 10 000°С и расплавилась. Но за одну сотую секунды можно провести наблюдения всех тех явлений, которые имеют место в статическом магнитном поле. Это объясняется тем, что, несмотря на кратковременность магнитного поля, все явления благодаря его силе достигают таких масштабов, таких размеров, что их можно наблюдать даже в такой короткий промежуток времени. Конечно, для этого надо выработать специальную аппаратуру.

Ряд явлений был уже изучен мною в Англии, и были найдены новые физические явления.

Внешний вид машины показан на рисунке

Строительство и начало работы института физических проблем

Ротор весит 2,5 т и вращается со скоростью 1500 оборотов в минуту. Машина была построена фирмой "Метрополитен-Виккерс" при участии советского инженера М. П. Костенко и английского инженера М. Уокера. Проблема постройки такой машины не легкая, потому что во время короткого замыкания в самой машине возникают колоссальные силы и ее легко может разнести. Поэтому ее надо делать особо прочной: концевые соединения в ней специально заделаны, весь статор сделан из стали, применены особо прочные подшипники и целый ряд деталей, которые делают машину специфической по своей конструкции.

Строительство и начало работы института физических проблем

При коротком замыкании эта машина давала на сетую долю секунды мощность в 220 000 кВт, т. е. 72 000 А при 3000 В. Эта мощность колоссальна, она больше четверти мощности Днепрогэса. При такой мощности машина испытывалась, работает же она при мощности вчетверо меньшей. Это показывает степень безопасности.

Вторая существенная часть -замыкатель, который позволяет вырезать из даваемого машиной тока отдельную волну. На рисунке показана осциллограмма тока в катушке (ток 9400 А, поле 277 000 Э; разрыв в линии 1 - момент образования искры в магнитном поле для наблюдения эффекта Зеемана).

Строительство и начало работы института физических проблем

Одним из самых больших затруднений является построение катушки, через которую проходит ток. Когда пропускается ток, катушка нагреться не успевает, но в ней возникают колоссальные силы, которые стремятся ее разорвать. Эти силы достигают 150 т на поперечное сечение катушки, давление на медь доходит до 5000-6000 атм.

Первую катушку, которую мы пробовали, разорвало. Ее диаметр был 1 см, а стал 2 см. Цепь разорвалась, при этом был большой шум и отдельные части катушки полетели в стороны. Поэтому мы теперь укрепляем все катушки, заворачивая их в стальные ленты. Но и это само по себе не решало еще вопроса, так как медь продолжала течь. Весь секрет постройки катушки заключается в подборе такой ее формы и такой обмотки, при которых все усилие на медь сводится по возможности к гидростатическому сжатию. Таким образом, медь как бы подвергается всестороннему давлению, и разрывающие усилия уничтожаются. Путем специальных вычислений, которые сделал Кокрофт, этого удалось достичь, и теперь катушки работают спокойно.

Следует обратить внимание на то, что катушка стоит в одном конце зала, а машина в другом. Это сделано вот для чего. В момент короткого замыкания в машине возникает пара сил, которая тормозит ротор и создает реакцию на фундамент. Так как ток возникает на одну сотую долю секунды, то в тот момент, когда нужно делать опыт, происходит нечто вроде маленького землетрясения. Вследствие этого при фотографировании, например, зеемановского эффекта, спектрограф будет дрожать и линии получатся размытыми. Как можно избежать этого толчка? Конечно, можно было бы толчок поглотить, но гораздо проще поместить машину в одном конце зала, а катушку в другом. Так как опыт происходит одну сотую долю секунды, то волна сотрясения подойдет к катушке только тогда, когда опыт будет уже закончен, и никаких неприятностей не вызовет. Этим объясняется большая длина зала.

Экспериментировать с коротким временем вообще чрезвычайно заманчиво. Может показаться, что короткое время ограничивает нас, но если им правильно пользоваться, то оно дает и большие преимущества. Благодаря большой силе магнитного поля все явления достигают, как уже было отмечено, таких размеров, что их обычно можно наблюдать даже в такой короткий промежуток времени, как сотая доля секунды, разумеется, если для этого создана подходящая аппаратура. С другой стороны, все мешающие явления, в которые входит элемент времени, как, например, тепловые возмущения, в ряде случаев перестают сказываться. В качестве примера я могу указать хотя бы на изучение магнитострикции в висмуте. За сотую долю секунды, в течение которой мы ее наблюдаем, изменения длины, вызываемые случайными тепловыми явлениями, столь малы, что не искажают удлинения, обусловленного влиянием магнитного поля. В стационарных магнитных полях термические возмущения являются основной помехой, ограничивающей точность наблюдений. Таких примеров можно привести много.

Работая с магнитным полем и производя ряд опытов, мы нашли, что многие явления, в особенности гальваномагнитные явления, наиболее интересны при низких температурах. Тогда мы начали заниматься получением жидкого водорода и жидкого гелия и строить соответствующую аппаратуру. В то время (8 лет тому назад) это было трудно, так как единственной лабораторией, где эта техника была освоена, была лаборатория Камерлинг-Оннеса в Лейдене и существовал ряд таких навыков и приемов, которые не были хорошо известны, но которые очень существенны для получения низких температур. Вообще в этом деле играет большую роль уменье организовать работу, подбирать кадры, научить их соблюдать известную чистоту, правильно подбирать материалы для работы и т. п. Все эти мелочи очень важны, так как малейшее упущение в этом направлении может сорвать эксперимент.

Первое, с чего я начал,- это постройка водородного ожижителя, подобный которому у нас здесь установлен. Он отличается от обыкновенного только тем, что в нем есть двойной цикл: цикл для чистого водорода и цикл для грязного водорода. Охлаждение производится чистым водородом, а ожижается более грязный, технический водород. Таким образом удается обойти самую большую трудность при получении жидкого водорода - нет необходимости иметь чистый водород как исходный продукт для ожижения, а можно работать, ожижая технический водород. Производительность этого ожижителя - 7 ^л/_ч, пусковое время - 20 мин. Столь короткое пусковое время достигнуто тем, что правильно рассчитаны все детали теплообменника, лишний металл в этом ожижителе сведен до минимума. Когда строился водородный ожижитель, мы имели в виду применять водород для получения жидкого гелия. Но когда мы подошли к получению жидкого гелия, мы нашли новый метод, при котором можно его получать, не прибегая к водороду. С водородом работать небезопасно, и надо избегать работать с большим количеством его. Этот новый ожижитель гелия, который мы разработали, в отличие от того, каким пользовался Камерлинг-Оннес, дает возможность получать жидкий гелий без предварительного охлаждения гелия жидким водородом.

Идея аппарата очень проста. Для получения жидкого гелия обычно пользовались следующим методом. Гелий охлаждался в водороде, кипящем при пониженном давлении, с тем, чтобы получить температуру ниже температуры точки инверсии гелия; тогда за счет эффекта Джоуля - Томсона происходило охлаждение и часть гелия ожижалась. Термический коэффициент полезного действия таких ожижителей только 0,5-1%. В Лейдене работа по получению жидкого гелия производится так: в первый день добывают жидкий воздух, на второй день получают около 20-30 л жидкого водорода и только на третий день - жидкий гелий в небольшом количестве.

Трудности этой сложной операции при получении жидкого гелия можно обойти, только применив для его охлаждения обратимый процесс, т. е. заставив его адиабатически расширяться при низкой температуре. Проблема сводилась к постройке машины, которая брала бы тепло у гелия при его расширении. Постройка такой машины связана с рядом трудностей, из которых первая и главная - это построение детандера (цилиндр с поршнем), работающего при низкой температуре. Поршень требует смазки, но при такой низкой температуре все вещества становятся совершенно твердыми. Вначале возникла идея применения турбины, так как турбина может работать без смазки. Но здесь мы натолкнулись на следующее забавное затруднение. Гелий при такой низкой температуре обладает чрезвычайно малым удельным объемом, а турбина выгодна только тогда, когда проходят большие массы,- инженерам известно, что хороший к.п.д. достигается только в больших паровых турбинах.

Если ограничиться практически возможными размерами турбины, то производительность ее должна быть не меньше нескольких тысяч литров жидкого гелия в час. Для лабораторных же целей, когда надо получать 1-2 л гелия в час, турбина, если мы хотим, чтобы она работала хорошо, принимает практически неосуществимо малые размеры (1-2 см в диаметре). Если надо будет получать большие количества жидкого гелия, то возможность использования турбины не следует забывать. Однако для нас идея постройки турбины отпала, и надо было остановиться на машине поршневого типа. Тут было много разных возможностей, например вибрационная диафрагма и т. п., но самое простое, что удалось придумать, это следующее.

Положим, у нас есть поршень. Мы не можем сделать его плотным. Сделаем его свободным, с зазором в несколько сотых миллиметра вокруг него, чтобы он свободно двигался. Тогда во время наполнения цилиндра гелием при повышенном давлении большая часть гелия, естественно, уйдет через зазор, так как его вязкость мала. Но если дать поршню возможность производить расширение быстро, то тогда можно добиться таких условий, что успеет утечь только малое количество гелия. Условия для работы можно легко подсчитать. Оказывается, что скорости, с которыми поршень должен двигаться, технически вполне осуществимы. Мы построили такую машину еще в Кембридже, и она работает вполне успешно до сих пор. Ее термический к. п. д. около 60%.

Второе затруднение при построении машины заключается в выборе самого материала. Все материалы становятся чрезвычайно хрупкими при температуре жидкого гелия, а построить машину из хрупкого материала нельзя. Поиски этого материала были не так легки, но материал был найден, а именно - аустенитовая сталь, которая не теряет своей пластичности даже при самых низких температурах.

Гелиевый ожижитель показан на рисунке

Строительство и начало работы института физических проблем

Мы пользуемся следующим циклом: сперва гелий охлаждается жидким азотом, кипящим при пониженном давлении, до 65 К, затем детандер охлаждает его до 10 К, и, наконец, последняя стадия - эффект Джоуля-Томсона до ожижения. Это первая работающая машина; она давала 1,7 л жидкого гелия в час, причем каждый литр гелия получался за счет 1,5 л жидкого азота. Ее, как я уже указал, можно значительно улучшить. Теперь мы строим машину с двойным циклом и рассчитываем, что она будет давать литров 6-8...

При оборудовании института была сделана попытка создать совершенный передовой институт. Мне кажется,что эта цель достигнута и институт, несомненно, молено считать не только одним из самых передовых у нас в Союзе, но и в Европе.

При создании таких институтов, оборудованных всеми удобствами для научной работы, часто возникает вопрос как у нас, так и на Западе: правильна ли сама идея создания таких институтов? Ведь самые большие, самые значительные научные открытия, почти все без исключения, были сделаны при помощи самых элементарных, простых средств. Зачем же строить такие институты, если все мировые открытия были сделаны с чрезвычайно простой аппаратурой? Этот вопрос дискутировался у нас и дискутировался на Западе. Я читал только что вышедшую книгу Дж. Дж. Томсона "Воспоминания и раздумья", в которой он описывает всю свою жизнь. Он останавливается и на этом вопросе. Я хочу привести выдержку, которая имеет большой интерес, так как именно Томсон из всех физиков конца прошлого и начала этого века сделал самые фундаментальные открытия. Он открыл электрон, открыл изотопы, а работал он с чрезвычайно простыми средствами. Что же он думает об этом? Он говорит следующее:

"...Обычно не первый шаг в открытии нового физического явления стоит больших денег. Так, открытие Рентгеном Х-лучей, или супругами Кюри радия, или продолжительные опыты Вильсона над образованием капелек на частицах, заряженных электричеством,- все они стоили ничтожные суммы. Открытия, подобные этим, обязаны тому, что не может быть куплено,-именно остроте и силе наблюдательности, интуиции, непоколебимому энтузиазму до окончательного разрешения всех затруднений и противоречий, сопутствующих пионерской работе. Когда первоначальное открытие сделано, наблюдаемый эффект очень мал и требует целого ряда длительных опытов для получения достоверных результатов. Вот это стремление добиться большого эффекта и стоит дорого. Это может означать затрату многих тысяч фунтов стерлингов для постройки сильных магнитов, или даже для получения электродвижущих сил во много сотен тысяч вольт, или же для приобретения больших запасов радия. Но все эти деньги хорошо израсходованы, так как они дают нам возможность добиваться новых знаний гораздо быстрее и с большей достоверностью".

Эта идея Томсона совершенно правильна. Когда Колумб отправился в экспедицию, результатом которой было открытие Америки, он плыл на простом маленьком фрегате, на лодчонке с современной точки зрения. Но чтобы освоить Америку, потребовалось построить большие корабли, как "Лузитания", "Титаник", и это полностью себя оправдало. Мне кажется совершенно правильным идти по пути строительства совершенных институтов, оборудованных по последнему слову техники.