Преодоление. Арзамас-16: как это было. Историко-аналитическое исследование

Под руководством Иоффе начала складываться одна из ведущих в будущем научных школ страны. И ядерная физика в ней приобрела характер важнейшего направления исследований. Об этом периоде развития институтов в своих воспоминаниях пишет Л.А. Арцимович: «Создавая первые скромные лаборатории Физико-технического института в Сосновке и привлекая в этот институт первых молодых ученых, Абрам Федорович закладывал фундамент огромного здания современной советской физики. Первостепенное внимание здесь уделялось подготовке кадров, процессу становления сотрудников института как физиков-теоретиков и одновременно умелых экспериментаторов. Была налажена система постоянного общения ученых и обучение молодого поколения. Семинар «Физическая среда», работавший в институте в течение многих лет, для значительного числа будущих видных представителей отечественной физики стал первым шагом по тому пути, который повернул их научно к исследованиям по атомному ядру, квантовой механике, космическим лучам. Немало было сделано и для налаживания контактов с ведущими зарубежными научными школами, прежде всего ядерным. По направлению Физико-технического института в 20-е годы более 20 молодых и перспективных его сотрудников были направлены на стажировку за границу сроком на полтора-два года».

В 1921 году специальная академическая комиссия отправилась в страны Западной Европы. Целью командировки было возобновление научных связей, прерванных революцией 1917 года. Предстояло не только ознакомиться с новейшими достижениями заграничных коллег, но отобрать, закупить за рубежом новые оптические, физические приборы, заключить соответствующее соглашение по обмену печатной продукцией. Комиссия состояла из директора государственного Оптического института Рождественского, академиков А.Н. Крылова и А.Ф. Иоффе, доцента Ленинградского политехнического института П.Л. Капицы и еще двух технических сотрудников. Сделано было немало, одно из наиболее значительных и важных результатов явилась создание канала для поступления всей научной периодики по естественным дисциплинам из Западной Европы в нашу страну. Особенно существенно это было для физиков. Их европейские коллеги сделали в этот период мощный рывок вперед. И все новейшие результаты исследований, включая ядерные, широко освещались на страницах научных публикаций.

20-е годы характеризовались бурным процессом формирования нового поколения советских физиков. Школа, группировавшаяся вокруг А.Ф. Иоффе, в первом своем составе включала П.Л. Капицу, П.И. Лукирского, Н.Н. Семенова, Я.И. Френкеля, И.В. Обреимова, А.А. Чернышева, В.А. Бурсиана, К.Ф. Нейтруха. Немного позже к ним присоединились Д.В. Скобельцын, И.В. Курчатов, И.К. Кикоин, А.Ф. Вальтер, Г.В. Курдюмов, П.П. Кобеко, Б.П. Константинов, И.М. Франк, А.И. Лейпунский, А.П. Александров, А.И. Алиханов, А.И. Шальников, Ю.Б. Харитон. Каждый из них впоследствии стал или самостоятельным лидером в своей области знаний, или родоначальником принципиально новых направлений в науке.

И.В. Курчатов начал работать в Физико-техническом институте в 1925 году. Сам он так определил содержание двух основных тематических направлений деятельности коллектива института: до 1932 года – электрические свойства твердых тел, после 1932 года – исследование атомного ядра. Круг собственных научных интересов Курчатова по характеристике Иоффе распределялся следующим образом: первые 8 лет научной деятельности – исследования диэлектриков и физики твердого тела, остальные 8 предвоенных лет и вся последующая жизнь, включая 15 лет после Великой Отечественной войны, – проблема атомного ядра. Итогом первого этапа научной работы Курчатова была монография «Сегнетоэлектричество», вышедшая одновременно у нас и во Франции. И уже через полтора года после начала его исследовательской работы в области атомной теории вышла монография «Расщепления атомного ядра».

Во второй половине 30-х годов научная деятельность Курчатова была целиком посвящена циклу исследований по изучению взаимодействия медленных нейтронов с ядрами. О Курчатове один из ближайших его соратников Ю.Б. Харитон сказал: «Его фигура стоит как бы особняком, ярко выделяясь на фоне всего коллектива советских физиков, среди которых было немало выдающихся, завоевавших высокий авторитет во всем мире».

Однако возвратимся к общей картине состояние отечественной физики в 20-30 годы. В 1932 году руководство государственным Оптическим институтом принял на себя С.И. Вавилов. Одновременно он был назначен директором физического отдела Физико-математического института, который в 1934 году выделился в самостоятельное научное учреждение – Физический институт Академии наук СССР имени П.Н. Лебедева (ФИАН). Возник новый центр физических исследований с сильным научным потенциалом и быстро расширяющейся тематикой. Одним из приоритетных направлений была ядерная физика и изучение космических лучей. И как в Физико-техническом институте Иоффе твердо поддержал в начале 30-х годов Курчатова, Алиханова, Арцимовича, Алиханяна в развертывании ядерных исследований, так и С.И. Вавилов содействовал аналогичным работам Франка, Грошева, Векслера, Добротина, Черенкова в ФИАНе.

Во второй половине 20-х годов наметился новый этап развития и Московской школы физиков. Он связан с именем Л.И. Мандельштама. Представителями этой школы стали А.А. Андронов, Г.С. Ландсберг, М.А. Леонтович, И.Е. Тамм.

Кроме важнейших физических направлений (ядерная физика, изучение космических лучей и др.) развивались и традиционные области естественнонаучного знания. Завершилось оформление оптической школы Рождественского (А.А. Лебедев, В.П. Линник, А.Н. Теренин, В.А. Фок, С.Э. Фриш). Высокий уровень отличал математическую школу, особенно в Ленинградском университете, которая была в руках таких крупных ученых, как В.А. Стеклов и А.А. Марков, последователей школы П.Л. Чебышева. Одновременно интенсивно начала развиваться исследовательская деятельность на стыке наук, в частности физики и химии. В довоенное время по итогам этой деятельности было проведено 12 всесоюзных конференций. Вышли в свет первые физико-химические научные журналы. Уже в 1929 году в Записке об ученых трудах Н.Н. Семенова говорилось о том, что его работы по атомной электронной химии открыли новую эпоху в этой области науки. Та область, в которой работал Семенов, и где он обрел широкую научную известность как у нас, так и за рубежом, была связана с изучением цепных химических реакций и применением результатов этих разработок во взрывах.

В 1931-1934 годах Семеновым была написана монография «Цепные реакции». Она была оперативно переведена на английский язык. Серия его работ по ионизации и возбуждению молекул, анализу ионов примыкала к работам известных западных ученых Дж. Франка и М. Полански и внесла много нового в понимание сложнейших процессов. Вклад Семенова в общую теорию цепных реакций получил общемировое признание и был отмечен несколько позже (1956 год) Нобелевской премией.

Несомненной заслугой Н.Н. Семенова в развитии отечественной науки является и то, что он сумел создать собственную школу физико-химического направления. В начале века физическая химия была в зачаточном состоянии. Научные силы в данной области знаний – разобщены. Деятельность Семенова по их объединению имела особое значение для будущего интенсивного развития отечественной ядерной школы.

Работы учеников Семенова отражали результаты более двух десятков исследований, проведенных за период с 1920 по 1931 год. Их итогом явилось то, что были отброшены устаревшие представления о характере взрывчатых процессов и заложены основы новой теории взрывов и горения. Эти работы вызвали целый поток откликов как у отечественных ученых, так и за границей.

Будучи заместителем директора Физико-технического института, Н.Н. Семенов непосредственно сам руководил созданной им лабораторией электронной химии. В биографии, написанной в 1940 году, он писал об этой лаборатории как о центре, породившем многих крупных ученых. Он назвал при этом Кондратьева, Харитона, Ковальского, Неймана, Соколика, Зельдовича, Лейпунского и других.

В 1931 году лаборатория была реорганизована в Институт химической физики. Быстрорастущий научный коллектив энергично продолжал разработку теории цепной химической реакции. Самостоятельные направления исследований возглавляли Франк-Каменецкий, Зельдович, Беляев, Щелкин. Лабораторией взрывчатых веществ института руководил Ю.Б. Харитон. В характеристике, подписанной Семеновым, датированной 18 июня 1946 года (эта характеристика появилась не случайно, ибо именно в это время решался ряд организационно кадровых вопросов, связанных с созданием первого отечественного ядерного центра) говорится: «Профессор Харитон – специалист по теории взрывчатых веществ, является высокообразованным, творческим физиком и одним из основателей советской химической физики и одноименного института. В период с 1921 по 1931 год Харитон провел ряд прочно вошедших в науку работ по общим вопросам молекулярной физики, радиоактивности и измерению малых интенсивностей света, вопросам электронной теории и цепной кинетики, положив начало изучению цепных реакций в стране».

Я.Б. Зельдович, высоко оценивая вклад Ю.Б. Харитона в науку о взрыве, писал: «Еще 20-летним юношей он впервые экспериментально доказал существование разветвленной цепной химической реакции на примере окисления фосфора». Он отметил, что Харитон положил начало собственному оригинальному направлению в исследовании взрыва и взрывчатых веществ, и выделил участие его в развитии таких сотрудников харитоновской лаборатории в Институте химической физики, как А.Ф. Беляев, А.Я. Апин, Б.М. Степанов, В.К. Боболев.

Одновременно с институтом химической физики из общей тематики Ленинградского физико-технического института выделился еще один – Электрофизический институт. «Отпочкование» захватило не только сами исследования в связи с их углублением и расширением, но и организационные научные структуры. В разных регионах страны образовались новые научные центры – в Томске, Свердловске и Харькове, который в то время был столицей Украины. Становлением сибирской научной школы физики руководил В.Д. Кузнецов. Харьковский физико-технический институт был организован И.В. Обреимовым, который и возглавил его.

Основной тематикой харьковской школы была физика твердого тела и низких температур. Работа здесь шла активно, проводились конференции с участием зарубежных коллег. С 1932 года по 1937 годтеоретически отдел института возглавлял Л.Д. Ландау, будущий нобелевский лауреат (1962 год).

В 1935 году в Москве был создан Институт физических проблем. Вернувшийся после 13-летнего пребывания в Англии (в Кавендишской лаборатории Кембриджа у Резерфорда) П.Л. Капица стал руководителем нового института. Во время заграничной работы он в 1923 году защитил диссертацию на степень доктора философии. Степень доктора физических наук на родине он получил без защиты 1934 году в числе других известных физиков страны. Через 6 лет пребывания в Англии Капица был избран членом английского королевского научного общества и одновременно членом-корреспондентом Академии наук СССР. 1930 году он стал профессором королевского научного общества Англии. Многие историки науки отмечают искреннюю привязанность корифея ядерных исследований Резерфорда к своему российскому коллеге. Это проявлялось во многом, включая всемерное содействие созданию максимально благоприятных условий для его научной деятельности. В частности, для Капицы была построена специальная лаборатория при Кембриджском университете. Она называлась Мондовской, поскольку средства на ее строительство были взяты из посмертного дара Королевскому обществу химика и промышленника Л. Монда. Открытие лаборатории состоялось в феврале 1933 года.

После возвращения Капицы в СССР для вновь созданного Института физических проблем наша страна приобрела все оборудование Мондовской лаборатории. Английская сторона пошла на этот шаг под влиянием настойчивых просьб Резерфорда. На данное решение, несомненно, повлияла и общая атмосфера интернационального сотрудничества в области физических исследований. Значило и то немаловажное обстоятельство, что все финансовые обязательства по оплате оборудования были выполнены советской стороной своевременно и в полном объеме.

Так возник еще один технически хорошо оснащенный отечественный центр физических исследований. Строительство здания института велось под закупленное оборудование и с учетом направленности научных работ П.Л. Капицы. Будущий нобелевский лауреат (1978 год), совмещавший в себе гениального экспериментатора, прекрасного теоретика и блестящего инженера, принял активное участие в развитии отечественной науки.

К середине 30-х годов в СССР уже сформировалась разветвленная сеть физических научно-исследовательских центров. Она обладала определенными особенностями. Говоря об этом почти 40 лет спустя, Харитон отмечал, что эта сеть включала как академические, так и тесно связанные с ними отраслевые научно-исследовательские институты. В отраслевых институтах были сосредоточены высококвалифицированные кадры, и им предоставлялась возможность проведения работ не только прикладного, но и фундаментального характера.

Позитивно оценивая этот период развитие отечественной науки нельзя пройти мимо того, что искусственно сдерживало, замедляло развитие науки в целом и физики в частности. Физиков, как и науку в целом, не обошли стороной политические репрессии второй половины 30-х годов. В это время было арестовано несколько выдающихся ученых-физиков. В феврале 1939 года группа ученых (Вавилов, Иоффе, Капица, Крылов, Мусхелишвили и Фок) обратились к Наркому НКВД Л.П. Берии с письмом в защиту арестованных ученых. Они писали: «Изъятие этих крупнейших ученых наносит ущерб развитию физики и делу подготовки высококвалифицированных кадров. Поэтому мы обращаемся к вам с просьбой пересмотреть основания, послужившие их осуждению в надежде, что новое рассмотрение выяснит возможность возвращения их к продуктивной научной деятельности».

Подобные обращения иногда срабатывали. Так арестованный в апреле 1938 года по обвинению в шпионаже в пользу Германии Ландау провел в тюрьме только годи был освобождён под личное поручительство Капицы.

Но вернемся в 30-е годы. Стремление государственных структур получить немедленную практическую отдачу от фундаментальной науки неизбежно оказывало влияние на административное руководство наукой. Необходимость теоретической физики приходилось отстаивать, а исследовательскую работу в области ядерной физики академики С.И. Вавилов и А.Ф. Иоффе вплоть до самой войны вели в своих институтах под огнем критики со стороны некоторых руководящих инстанций за отрыв от практических нужд народного хозяйства. Я.Б. Зельдович в своих воспоминаниях отмечал: «Работу по теории деления урана мы считали неплановой и занимались ею по вечерам. Иногда очень поздно».

При всех сложностях политического и экономического порядка ядерные исследования получали все большее развитие. Сказывались высокий интеллектуальный потенциал отечественный физической школы и увлекательность самой ядерной физики для ученых. Более значительную роль стали играть лаборатории по ядерным исследованиям Алиханова. Развивалась экспериментальная база. В частности, строились импульсный ускоритель Ленинградском физико-техническом институте и электростатический генератор Ван-де-Граафа в Харьковском физико-техническом институте. В Радиевом институте был пущен первый в Европе циклотрон.

Было положено начало регулярному проведению Всесоюзных конференций по физике атомного ядра. В 1933 году состоялась первая из них. Оргкомитет конференции возглавлял И.В. Курчатов. На конференцию приехали известные физики из Франции, Англии, Италии, Швейцарии, Чехословакии.

В 1935-1936 годах был разработан проект самого мощного, по тому времени, циклотрона, который намеревались построить в Ленинграде. Нарастал поток научных публикаций физиков-ядерщиков по итогам проводившихся исследований. За четыре года, с 1932 по 1936 год, свет увидели более ста работ данной тематики. Многие из них нашли живой отклик в западноевропейских научных центрах.

Из достижений этого периода следует отметить открытие П.А. Черенковым с С.И. Вавиловым эффекта, проявляющегося в испускании света веществом при движении в нем заряженных частиц со скоростью, превышающей фазовую скорость света. Этот эффект получил название «Черенковского свечения». Позже И.Е. Тамм и И.М. Франк дали теоретическое обоснование данного явления, которое, как открытие, было отмечено Нобелевской премией в 1958 году (П.А. Черенков, И.Е. Тамм, И.М. Франк).

В сентябре 1936 годах в Москве состоялась Вторая всесоюзная конференция по ядерной физике, через год Третья – в Ленинграде. Они были посвящены проблеме строения ядра и частиц. В период между этими событиями фронт работ по ядерным исследованиям существенно расширился. В 1936 году Я.И. Френкель ввел в теорию атомного ядра понятие температуры возбуждения ядра, истолковав процесс распада ядра как испарение частиц из нагретого ядра. Независимо от Н. Бора были сформулированы основные положения капельной модели атома, что позволило отечественным физикам вполне самостоятельно к 1939 году подойти к созданию основ теории деления тяжелых ядер, предсказать возможность их спонтанного деления.

1939 годбыл отмечен проведением Четвертой Всесоюзной конференции по ядерной физике и космическим лучам. Она проходила Харькове. К этому времени ученые всего мира активно обсуждали статью Л. Мейтнер и О. Фриша, теоретически объясняющую результаты опытов Гана-Штрассмана по делению ядер урана. Первые сведения об этом пришли в нашу страну с февральскими номерами английских и немецких научных журналов. Налаженные в 20-е годы информационные каналы еще работали. Ю.Б. Харитон вспоминает, что эти сведения вызвали у советских физиков такое же волнение, как и у физиков всего мира. Среди сотрудников Ленинградской группы физических институтов (ФТИ, ИХФ, РИ АН СССР) разгорелось обсуждение практической возможности осуществления цепной ядерной реакции и ядерного взрыва. Начались эксперименты и расчетные работы по данной тематике. А вскоре были получены и первые интересные результаты, показавшие, что отечественная наука принимает активное участие в обширном научном штурме тайм атомного ядра.

В лаборатории И.В. Курчатова молодые физики Г.Н. Флеров и К.А. Петржак открыли явление самопроизвольного без облучения нейтронами деление ядер урана 238. Это открытие, явилась серьезным вкладом советских ученых в физику ядра. Л.И. Русинов и Г.Н. Флеров независимо от западных физиков, экспериментально установили число вторичных нейтронов, испускаемых при делении урана. В Институте химической физики, Ю.Б. Харитон и Я.Б. Зельдович, отойдя от исследований вопросов горения и детонации газовых смесей, взрывчатых веществ, занялись выяснением условий осуществления разветвленной цепной реакции деления урана в реакторе. И предложили использовать в качестве замедлителя нейтронов тяжелую воду и углерод. При этом следует отметить, что еще в 1937 году Харитон предложил метод разделения изотопов с помощью центрифугирования. Обосновал его возможность математически.

В 1939 году в журнале экспериментальной и теоретической физики были опубликованы две статьи Харитона и Зельдовича. Они назывались «К вопросу о цепном распаде основного изотопа урана» и «О цепном распаде урана под воздействием медленных нейтронов». Самостоятельные расчеты отечественных физиков не только подтвердили теорию цепной реакции, но и обогатили ее.

Зельдовичем, Харитоном и Гуревичем проводились и предварительные расчеты критической массы урана-235. Было получено хотя и не точное, но вполне правдоподобное ее значение. Но статья, излагавшая выводы ученых, уже не могла выйти в свет. Она пролежала 30 лет в портфеле редакции журнала «Успехи физических наук» и была возвращена только в 70-е годы Ю.Б. Харитону в том виде, в каком была 40 лет назад послана в журнал.