Развитие физики в Московском университете: выбор направления

(к 125-летию со дня начала работы в Московском университете П.Н. Лебедева)

Все основные научные результаты выдающегося физика Петра Николаевича Лебедева, нашедшие всемирное признание, были получены им в Московском университете. Через всю свою жизнь он пронес способность выбирать те актуальные задачи в науке, решение которых приводило к принципиально новым представлениям. Исключительно важным было и его умение отстаивать свой выбор.

Как писал впоследствии А.К. Тимирязев «Петр Николаевич не был из числа людей, которые плывут по течению; он был из числа тех, кто своими трудами накладывает печать на ту эпоху, в которой он живет. Это был ученый, который первый на опыте доказал существование светового давления на твердые тела; кто доказал существование светового давления на газы; кто получил самые короткие по тому времени электромагнитные волны в 6 мм и впервые показал для этих волн явление двойного преломления в кристаллах серы».

В юности П.Н. Лебедев страстно желал заниматься электротехникой и стать инженером. Перешагнуть стадию повторения чужих опытов и взяться за самостоятельное творчество оказалось легко. Значительно труднее было достичь нужных результатов.

В судьбе П.Н. Лебедева особое место занимает реализация проекта униполярной динамомашины без коллектора (то есть одного из вариантов генератора постоянного тока). Прочитав в августе 1882 года об униполярной индукции, он пытается вплоть до 1887 года построить униполярную динамомашину. Но все эти попытки закончились неудачей. По этому поводу он писал: «... несчастье с машиной повлекло очень упорную и разностороннюю работу мысли над причиной явления; я мало-помалу от технических применений перешел к самим явлениям — и у меня стали копошиться мысли о том, каким образом мне иллюстрировать основы моей магнитной теории на опыте, — я, сам того не замечая, перешел от техники в ученую сферу».

П.Н. Лебедев окончил Страсбургский университет и защитил в нем диссертацию по теме «0б измерении диэлектрических постоянных паров и о теории диэлектриков Моссотги — Клаузиуса» (1891 год).

Летом 1891 года П.Н. Лебедев возвращается в Москву. 18 марта 1892 года он был зачислен в Московский университет внештатным ассистентом.

А.Г. Столетов, который в то время заведовал кафедрой (до 1893 года), разрешил организовать П.Н. Лебедеву для своих исследований лабораторию в коридоре физической лаборатории, которая помещалась в то время на втором этаже двухэтажного дома во дворе университета на Моховой 11 (бывший дом Волконских, «ректорский домик»).

П.Н. Лебедев оборудует лабораторию и приступает к исследованиям. У него было много собственных идей, отличных от того, чем предлагал ему заняться А.Г. Столетов. Его интересовали, например, реактивные двигатели для воздухоплавания.

Здесь в 1895 году он впервые создал комплекс устройств для генерирования и приема миллиметровых электромагнитных волн с длиной 6 , 4 мм и, даже, 3 мм, установил их отражение, двойное преломление, интерференцию и т.д. Эти волны имели длину гораздо меньшую, чем у Герца (0.6 м). Спустя много лет миллиметровые волны нашли широкое применение в радиоастрономии и целом ряде других областей физики.

В 1896 году П.Н. Лебедевым создается рентгеновская установка и проводятся исследования с Х-лучами.

С 1894 по 1897 годы, с перерывами, П.Н. Лебедев исследует механическое действие волн на резонаторы. Еще в студенческие годы у П.Н. Лебедева возникла идея, что при объяснении межмолекулярных сил молекулы можно рассматривать как источники и приемники электромагнитного излучения. Так как непосредственно эту гипотезу проверить было нельзя, поэтому он решил изучить пондеромоторное (то есть механическое) взаимодействие между макроскопическими источниками и приемниками различного рода волн — электромагнитными, гидродинамическими, акустическими.

В 1896 году А.А. Беккерель открывает естественную радиоактивность. А уже в 1897-1898 годах П.Н. Лебедев занимается исследованием лучей Беккереля.

Свою диссертацию «Экспериментальные исследования пондеромоторного действия волн на резонаторы» он представил в 1899 году на соискание ученой степени магистра физики. Профессора Н.А. Умов и А.П. Соколов рекомендовали Совету университета присудить Лебедеву ученую степень доктора наук, минуя степень магистра. 28 февраля 1900 года П.Н. Лебедева утвердили экстраординарным профессором Московского университета.

В 1899 году П.Н. Лебедев проводит эксперименты по определению давления света на твердые тела. Вот как описывает П.Н. Лебедев историю данного вопроса в своей последней незавершенной работе, вышедшей уже после его смерти.

Предположение о том, что световые лучи оказывают давление на тела, на которые падают, было высказано Кеплером в XVII веке для объяснения характерной формы хвостов комет. Это достаточно просто объяснялось в рамках «эмиссионной», то есть корпускулярной, теории света. Эйлер объясняет наличие светового давления в рамках волновой теории света.

Начиная с XVIII века предпринимаются попытки определить давление света экспериментально (Дюфе, Френель и др.), но они не имели успеха. Новый этап в исследованиях давления света начинается во второй половине XIX века с радиометрических работ Крукса, позволивших конкретизировать задачу по экспериментальному определению давления света.

Наличие светового давления следовало и из созданной Максвеллом электромагнитной теории. При этом из данной теории можно было определить абсолютную величину этого давления, которая оказалась исчезающе малой по сравнению с радиометрическими силами.

Величину давления света в тот же период смог определить Бартоли на основе термодинамики. При этом величина оказалась совпадающей с результатами теории Максвелла.

П.Н. Лебедев пишет, что «задача экспериментального исследования светового давления, после обнародования работ Максвелла и Бартоли, была поставлена в гораздо более благоприятные условия: во-первых, как электромагнитная теория света, так и термодинамические соображения давали возможность вперед вычислить абсолютную величину того давления, которое при данном источнике света экспериментатор мог ожидать в своих опытах, что позволяло ему строить измерительные приборы необходимой и достаточной чувствительности; во-вторых, работы Крукса предостерегали от тех опасностей, которые были сопряжены с радиометрическими эффектами, и, наконец, в-третьих, экспериментальные средства даже в скромно-обставленных лабораториях (электрический фонарь) и ртутный насос давали возможность приступить к исследованию светового давления».

Для преодоления всех этих трудностей, включая проблемы с конвекционными потоками, П.Н. Лебедеву потребовалось несколько лет. В итоге он измерил давление света на твердые тела. При этом экспериментальные данные П.Н. Лебедева хорошо согласовались с теорией Максвелла. Это было первое в истории успешное измерение давления света на твердые тела.

В дальнейшем постановка эксперимента совершенствовалась и уточнялась.

Спустя несколько лет П.Н. Лебедев измерил давление света на газы. Проводить эксперименты было гораздо труднее, так как давление света на газы в сотни раз меньше давления света на твердые тела. Исследования он проводил с 1907 года по 1910 год. Это было также первое в истории успешное измерение давления света на газы.

Интерес П.Н. Лебедева к исследованиям давления света как на твердые тела, так и на газы, в немалой степени связан с его представлениями о роли светового давления в космических явлениях. В первую очередь это относится к представлению об образовании кометных хвостов, чему была посвящена одна из его первых научных работ. К этой проблематике он постоянно возвращался на протяжении всей своей жизни.

17 мая 1899 года он сделал доклад об экспериментальном доказательстве существования светового давления Обществу естествоиспытателей в Лозанне (Швейцария). К сожалению, от того доклада осталась лишь одна протокольная запись.

На Международном конгрессе физиков в Париже в августе 1900 года им также был сделан доклад. Он был прочитан на французском языке (перевод с немецкого текста П.Н. Лебедева). Этот доклад «Максвелло-Бартолиевые силы давления лучистой энергии» был опубликован в том же году в «ЖРФХО» на русском языке и в трудах съезда на французском языке. В «ЖРФХО» в 1901 году вышла классическая статья П.Н. Лебедева «Опытное исследование светового давления», в которой приведено полное описание экспериментов, которую перепечатали многие иностранные журналы. Эта статья привлекла большое внимание.

Работы П.Н. Лебедева по световому давлению вызвали широкий международный резонанс. Они создали ему славу замечательного экспериментатора. Его статьи была перепечатаны во многих журналах. П.Н. Лебедев получил известность и признание.

Возникшая в дальнейшем квантовая теория рассматривает световое давление как результат передачи телам импульса фотонов в процессе поглощения или отражения света. Квантовая теория дает для светового давления те же формулы, что и теория Максвелла. Таким образом, эксперименты П.Н. Лебедева являются экспериментальным подтверждением и квантовой теории.

То, что свет переносит энергию, известно хорошо: греясь на солнце, мы чувствуем тепло. Но мы не испытываем никакого давления. Опыты П.Н. Лебедева показали, что это чрезвычайно малое давление есть. Таким образом свет переносит и импульс. Этот импульс должен быть в согласии с теорией Максвелла, то есть релятивистским, а не импульсом в рамках классической механики. Это означало, что теория истечения (или классическая корпускулярная теория света) Ньютона не верна. Наступала эпоха новой релятивистской механики.

По воспоминаниям Н.А. Капцова П.Н. Лебедев ежедневно интересовался работой своих учеников. Он говорил: «Продолжайте работать так, как Вы работаете. Не смущайтесь тем, что Ваши результаты кажутся мало значащими. При упорной работе Вам удастся сделать и что-либо крупное («поймать слона», как он выражался). Имейте в виду, придет время, когда физики в России будут нужны». Петр Николаевич также водил своих учеников осматривать первую большую электростанцию в Москве (ныне ГЭС №1 имени П.Г. Смидовича). Во время экскурсии он серьезно и подробно интересовался устройством и принципами работы данной электростанции.

Вот как вспоминал о своей первой встречи с П.Н. Лебедевым в 1904 году Константин Павлович Яковлев: «Мы, студенты второго курса, хорошо разбирались в научных достоинствах своих профессоров. Мы знали, что профессор П.Н. Лебедев — очень крупный ученый, имя которого широко известно. Поэтому встреча и беседа с ним меня сильно волновала. Когда я вошел к нему, то оказалось. что дверь его кабинета открыта, и я увидел первую комнату. Она, очевидно, служила мастерской: посередине стоял большой слесарный стол с тисками, наковальней и различными инструментами, а у окна находился токарный станок, на котором кто-то усердно работал (спиной ко мне). Я решил, что работает механик профессора Лебедева (Мы знали, что у профессора Лебедева есть механик. ...), и спросил, можно ли видеть профессора. Каково же было мое изумление, когда «кто-то у станка», обернувшись ко мне, оказался самим Лебедевым!».

Далее К.П. Яковлев пишет: «“Мало знать, надо уметь”, — часто говорил Петр Николаевич. Те же мысли он выражал иногда иначе: “Если у человека есть голова, это хорошо, если есть руки, это тоже хорошо, но полноценный физик получается только тогда, когда у человека есть и голова и руки”».

В дальнейшем целый ряд учеников П.Н. Лебедева, а также учеников «во втором поколении», работали в Московском университете и во многом определили здесь характер развития физики.

Изобретение в 1960 году лазера — принципиально нового источника излучения — изменило представление о световом давлении как очень малой величине в земных условиях. Появляются новые возможности для исследования пондеромоторного действия света. В 60-х годах ХХ века Владимир Борисович Брагинский начал исследование взаимодействия квантовых колебательных мод различной природы — фотонных мод и механических осцилляторов. В настоящее время это направление получило широкое развитие и называется квантовой оптомеханикой.

Новые возможности позволили В.П. Брагинскому заняться делом всей его жизни — работами по детектированию гравитационных волн. Эта задача относится к самым фундаментальным проблемам физики, или к «сверхзадачам» (по выражению В.П. Брагинского).

В.Б. Брагинский стоял у истоков и в течение долгого времени возглавлял Московскую группу международной коллаборации LSC (LSC — LIGO Scientific Collaboration — коллектив в составе более 1000 ученых из научных центров США и 14 других стран, включая Россию). Эта коллаборация занимается созданием лазерного интерферометрического детектора гравитационных волн. В.П.Брагинский выступил 17 октября 2000 года с докладом «Столетие открытия светового давления П.Н. Лебедевым» на методологическом семинаре физического факультета МГУ. В докладе он сравнивал трудности, которые преодолевал П.Н. Лебедев, с трудностями, преодолеваемые при постройке гравитационных детекторов.

А 26 апреля 2016 года уже после прямой регистрации гравитационных волн от слияния двух черных дыр на методологическом семинаре с докладом «Квантовая оптомеханика: от опытов П.Н. Лебедева до гравитационных антенн» выступил профессор М.Л. Городецкий, член той же коллаборации.

А 26 апреля 2016 года уже после прямой регистрации гравитационных волн от слияния двух черных дыр на методологическом семинаре с докладом «Квантовая оптомеханика: от опытов П.Н. Лебедева до гравитационных антенн» выступил профессор М.Л. Городецкий, член той же коллаборации. Он подчеркнул генетическую связь фундаментальных исследований в Московском университете, начавшихся с экспериментов Лебедева и получивших мировое признание, до открытия гравитационных волн, которому в основном был посвящен доклад.

Жизнь показала высокую значимость направлений научной деятельности, выбранных П.Н. Лебедевым, на протяжении более ста лет.

Профессор кафедры квантовой статистики и теории поля П.Н. Николаев

Назад