Читать онлайн «Никола Тесла. Наследие великого изобретателя». Страница 54

После революции Френкель трижды был за границей: работал у Паули в Гамбурге и у Бора в Гёттингене (1925–1926), был участником Международного съезда физиков в Италии (1927), читал лекции в Университете Миннесоты (США) в 1930–1931 гг. Внес значительный вклад в такие разделы физики, как электронная теория твердого тела, физика конденсированного состояния вещества, квантовая механика и электродинамика, физика ядра, физика элементарных частиц, магнетизм, физическая химия, астрономия, геофизика.

Первая научная публикация Френкеля о двойных электрических слоях на поверхности твердого тела и жидкости появилась в 1917 г. В дальнейшем целый ряд его работ был посвящен сопоставлению жидкости и твердого тела, развитию представлений о ближнем и дальнем порядке в конденсированных средах. Разрабатывая в 1923–1929 гг. электронную теорию твердых кристаллических тел, в том числе металлов, Френкель впервые применил к изучению движения электронов в них методы квантовой статистики; кроме того, он ввел понятие дефекта кристаллической решетки (отсутствие атома в соответствующем узле кристаллической решетки, ныне называемое «дефектом по Френкелю»), что позволило ему описать не только электропроводность, но и упругость, так что в его интерпретации теория упругости стала как бы разделом теории электричества. В частности, в 1927 г. Френкель описал движение свободных электронов в металлах с помощью представления о волнах де Бройля, что позволило ему объяснить поведение электронов проводимости в металлических кристаллах и зависимость их электропроводности от температуры и наличия примесей в кристаллической решетке.

Исследуя ферромагнетизм, Френкель в 1928 г. создал его качественную теорию: применив принцип Паули к электронному газу, объяснил самопроизвольную намагниченность ферромагнетиков, а в 1930 г. ввел понятие спонтанно намагниченных областей — доменов. Эти работы Френкеля стали фундаментом теории ферромагнетизма. Предложенное им в 1946 г. объяснение спекания металлических порошков легло в основу порошковой металлургии.

В 1930–1936 гг. Френкель создал квантовую теорию электрических и оптических свойств диэлектрических кристаллов. Впервые ввел в теорию поглощения света кристаллами понятие электронной дырки (атома решетки, лишенного одного из своих электронов) как носителя положительного заряда и экситона — носителя возбуждения. Френкель фактически создал теорию фотопроводимости диэлектриков и полупроводников; дал квантомеханическое описание туннельного эффекта и в 1932 г. применил его к протеканию тока в месте контакта «металл — полупроводник».

Начиная с 1928 г. Френкель успешно развивал аналогии между макроскопическими процессами — испарением обычных твердых и жидких тел и процессами микроскопическими — диссоциацией отдельных молекул и распадом возбужденных ядер. Он внес серьезный вклад в кинетическую теорию жидкостей, описав температурную зависимость их диффузии, вязкости и упругости, предложил общие уравнения упруго-вязкой среды. В дальнейшем занимался кинетикой фазовых переходов, адсорбцией, гетерофазными флуктуациями.

Мировое признание получили и работы Френкеля в области общих разделов физической теории. Ученый занимался электродинамикой точечного электрона и электрона вращающегося; сопоставлением «старой» и «новой» квантовой механики; релятивистскими обобщениями квантово-механических уравнений. Новые идеи Френкель внес в геофизику. Разрабатывал теорию атмосферного электричества, занимался выяснением природы земного магнетизма и других явлений в недрах Земли.

Научные интересы Френкеля пересекались с деятельностью многих выдающихся физиков современности. Так, независимо от Бора и Уилера и чуть раньше их (хотя и не в столь подробной форме) Френкель создал теорию деления тяжелых ядер; независимо от Гейзенберга — квантово-механическую теорию ферромагнетизма; независимо от Бора — капельную модель ядра.

Эйнштейн Альберт (1879–1955), выдающийся физик-теоретик. Родился в Ульме германского округа Вюртемберг в семье мелкого коммерсанта. Учился в католической народной школе в Ульме, а после переезда семьи в Мюнхен — в гимназии. В учебе предпочитал самостоятельные занятия по геометрии и чтение популярных книги по естествознанию, при этом сумел овладеть дифференциальным и интегральным исчислением. В 1895 г., не окончив гимназии, пытался поступить в Федеральное высшее политехническое училище в Цюрихе, но не сдал экзамены по языкам и истории. Доучившись в кантональной школе в Аарау, без экзаменов поступил в Цюрихский политехникум, где много времени проводил в физических лабораториях и библиотеках, читая классические труды Г. Кирхгофа, Дж. Максвелла и Г. Гельмгольца.

После окончания политехникума он долго не мог найти работу, пока в 1902 г. не получил по протекции место технического эксперта в Бернском патентном бюро, где и проработал до 1907 г. В 1905 г. в немецком журнале «Анналы физики» (Annalen der Physik) вышли три работы Эйнштейна, принесшие ему всемирное признание и славу: «О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты», «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света», «К электродинамике движущихся тел». С этого момента возник пространственно-временной континуум специальной теории относительности, были с новых позиций объяснены фотоэффект и броуновское движение, а масса превратилась в форму энергии.

Вначале Эйнштейн рассмотрел некоторые проблемы молекулярной физики, связанные со статистическим описанием теплового движения атомов и молекул, известного как броуновское; с помощью статистических методов он показал, что между скоростью движения взвешенных частиц, их размерами и коэффициентами вязкости жидкостей существует экспериментально проверяемое количественное соотношение. Последующие его работы по теории света основывались на квантовой гипотезе М. Планка, выдвинутой им в 1900 г., и в них Эйнштейн рассматривал квантование самого потока света в его фотонной интерпретации. Так он объяснил фотоэффект, состоящий в выбивании электронов из металла световыми лучами и ранее не укладывавшийся в рамки волновой теории света.

В том же 1905 г. была опубликована работа Эйнштейна, в которой излагалась специальная теория относительности (СТО), основанная на расширенном постулате относительности Галилея и принципе постоянства скорости света. Из СТО Эйнштейн вывел взаимосвязь массы и энергии, позволившую упростить законы сохранения в единый принцип постоянства массы и энергии в замкнутых системах при любых процессах. Сегодня этот закон составляет основу всей атомной физики.

В 1909 г. Эйнштейн получил место экстраординарного профессора на кафедре теоретической физики Цюрихского университета, а вскоре последовало почетное приглашение на кафедру теоретической физики Немецкого университета в Праге. Там в 1911 г., исходя из принципа относительности, он заложил основы релятивистской теории тяготения, высказав мысль, что световые лучи должны отклоняться в поле тяготения, и изложив свои выводы в статье 1911 г. «О влиянии силы тяжести на распространение света». В 1919 г. английская астрофизическая экспедиция Эддингтона подтвердила выводы Эйнштейна.

Летом 1912 г. Эйнштейн возвратился в Цюрих на новую кафедру математической физики Высшей технической школы, где приступил к дальнейшему развитию математического аппарата теории относительности. Результатом совместных с его соучеником Марселем Гроссманом усилий стал фундаментальный труд «Проект обобщенной теории относительности и теории тяготения» (1913). В том же году Эйнштейн был избран в Берлинскую академию наук и переехал в Берлин для работы в Университете Гумбольдта, где в должности директора Физического института провел последующие 19 лет. Здесь он закончил общую теорию относительности (ОТО), показав, что гравитацию можно свести к изменению геометрии пространства — времени вокруг тяготеющих тел. В 1915 г. Эйнштейн попытался распространить ОТО на Вселенную в целом и получил модель замкнутого мира. В 1922 г. космологию Эйнштейна рассмотрел петербургский математик А.А. Фридман, придя к динамической модели, в которой радиус кривизны Вселенной возрастает во времени.

В 1921 г. был удостоен Нобелевской премии по физике с формулировкой «За основные работы в области теоретической физики, особенно за создание квантовой теории света».

В 1916–1917 гг. вышли работы, содержащие квантовую теорию излучения Эйнштейна. В них рассматривались вероятности переходов между стационарными состояниями атома Бора — Резерфорда и выдвигалась идея индуцированного излучения, в дальнейшем это стало теоретической основой создания квантовых генераторов.

В конце 1920-х гг. разгорелась дискуссия вокруг «натурфилософских» основ квантовой физики, где Эйнштейн выступил против копенгагенской школы Н. Бора. Дискуссия продолжилась на Сольвеевских конгрессах 1927 и 1930 гг., где разгорелась полемика между Эйнштейном и Бором, продолжавшаяся долгие годы и так и не убедившая его в вероятностной природе квантовой механики. В конце 1920-х гг. Эйнштейн стал уделять все больше времени разработке единой теории поля, призванной объединить в одной модели электромагнитное и гравитационное поля. Однако на этом пути он так и не достиг решающего результата.