Геннадий Горелик - Матвей Петрович Бронштейн

• Название: Матвей Петрович Бронштейн
• Автор: Геннадий Горелик
• Издательство: АКАДЕМИЯ НАУК СССР
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 1990
• ISBN: ISBN 5-02-000670-Х

В книге рассказывается о жизни и творчестве замечательного советского физика-теоретика М. П. Бронштейна. Наиболее важный его вклад в науку — первое глубокое исследование квантования гравитации. Полученные им результаты стали особенно актуальны в наше время, когда построение квантовой теории гравитации насущно необходимо для космологии и физики элементарных частиц. Бронштейну также принадлежат важные работы в релятивистской космологии, астрофизике, теории полупроводников. Написанные им замечательные научно-популярные и научно-художественные книги переиздаются в наши дни.

Книга рассчитана на читателей, интересующихся историей советской науки.

---

Полупроводники, твердые и жидкие тела (механические и молекулярные свойства), фазовые переходы, физика ядра, магнетизм — словом, вся физика представала на семинарах ФТИ. Сотни докладов, десятки докладчиков... Доклады Бронштейна особенно часто вспоминают участники тогдашних физтеховских семинаров. Вспоминают его реферат доклада Паули по магнетизму на Сольвеевском конгрессе 1930 г. (о мастерстве молодого докладчика свидетельствует сохранившийся подробный конспект, сделанный В. Р. Бурсианом [98], не так давно принимавшим экзамены у докладчика в университете). Рефераты полупроводниковых работ А. Вильсона завершились докладом Бронштейна с собственными результатами в этой области. В середине 30-х годов, когда теоретики ФТИ занялись физикой ядра, Матвей Петрович начал опекать работы отдела ядерной физики ФТИ. Он выступал с докладами на ядерном семинаре И. В. Курчатова, а на теоретическом семинаре — с обзором экспериментальных результатов группы Ферми по ядерным реакциям на медленных нейтронах.

В Физтехе наряду с теоретическим, полупроводниковым, ядерным, специальным нейтронным, философским семинарами по пятницам собирался еще и общеинститутский семинар, на которомпредседательствовал A. Ф. Иоффе. Заседания проводились в помещении библиотеки, а с середины 30-х годов — в актовом зале. На этом семинаре докладывались и экспериментальные, и теоретические работы, выступали физики из других институтов, из-за рубежа. Атмосфера физтеховских семинаров 30-х годов, необычайно способствовавшая развитию науки, ярко передана в «научно-фантастическом» очерке «Семинар» Вл. Волкова (псевдоним известного советского теоретика, физтеховца, B. Б. Берестецкого) [134]. В персонажах этого очерка можно узнать Иоффе, Френкеля, Ландау и Бронштейна.

Обрисовав в общих чертах научное окружение М. П. Бронштейна, вернемся к 1 мая 1930 г., к времени его поступления в ЛФТИ, и проследим главные события его научной жизни.

Высокая оценка, которая содержалась в словах, написанных заведующим теоротделом ФТИ на заявлении Бронштейна (и приведенных в конце гл. 2), не была лишь щедрым авансом. Я. И. Френкель имел возможность узнать молодого теоретика. Маем 1930 г. помечена их совместная работа [9].

3.3. «Квантование свободных электронов в магнитном поле»

К тому времени построение нерелятивистской квантовой механики было завершено, шел интенсивный процесс приложения ее принципов к решению конкретных задач. Главным достижением релятивистской квантовой теории было уравнение Дирака. Но наряду с замечательным следствием этого уравнения — описанием магнитного момента электрона, другие выводы представлялись парадоксальными. Один из них — что энергия свободных электронов в однородном магнитном поле квантуется — сделал в 1928 г. Раби [256] на основе формального решения уравнения Дирака. Раби ограничился констатацией этого факта, не проанализировав его экспериментальных следствий. Его работа была математически безупречна и, с современных позиций, не требовала перепроверок и обоснований. Иначе обстояло дело в то время. Вспоминая о нем, Ландау в 1958 г. писал: «Я еще помню, как в 1930—31 гг. все физики, включая самого Дирака, пришли к выводу, что его теория при всей своей красоте неправильна, так как дает экспериментально абсурдные результаты: приводит к существованию частиц, которых заведомо не существует» [217] (имеются в виду позитроны, экспериментально обнаруженные

в 1932 г.).

В первом абзаце статьи Френкеля и Бронштейна примечательна фраза: «Для того чтобы убедиться, что дискретный ряд уровней энергии свободного электрона, движущегося в магнитном поле, не является одним из парадоксов, связанных с уравнением Дирака, а соответствует реальному физическому явлению, хотя еще и не обнаруженному экспериментально, полезно показать, что такое квантование неизбежно возникает во всякой форме квантовой теории — как в "полуквантовой" механике Бора, так и в волновой механике Шредингера и Дирака».

Квантуя вращательное движение электрона в магнитном поле с помощью боровского постулата mvr=nh, а затем с помощью «более правильного» условия [mv — (e/c)A]r=nh (А — вектор-потенциал магнитного поля H), они получают равноотстоящие уровни энергии W=nh(uL и W=2nhcoL ((йь=еН/2тс — частота Лармора).

Решение соответствующей задачи квантовой механики подтвердило и уточнило вторую формулу для спектра W=(2n+1)hcoL, дав энергию основного состояния Wo=h(j)L. Авторы установили правила отбора, показав, что при переходах возможн4 о излучение только одной длины волны X = 7tc/coL= 104 (Гс/H) см. Это первое указание на резонансный характер взаимодействия квантовых электронов с излучением — процесса, который играет важную роль в современной магнитооптике твердого тела (экспериментально циклотронный резонанс в металлах и полупроводниках наблюдался в начале 50-х годов).

В 1930 г. такое излучение было недосягаемо для эксперимента, и авторы обращают внимание на другой эффект — «тенденцию свободных электронов к спонтанному переходу в основное состояние с минимальной вращательной энергией Wo». Эту тенденцию авторы назвали весьма парадоксальной, но не заметили, что от найденного ими спектра открывался путь к предсказанию нового явления — диамагнетизма электронов в металлах.

Такое предсказание сделал другой физтеховец, Ландау, в работе [213], которая вышла в свет практически одновременно со статьей Френкеля—Бронштейна. Весной 1930 г. Ландау в качестве рокфеллеровского стипендиата находился в Англии. Стимулом к его размышлениям, по-видимому, послужили обсуждения с П. Л. Капицей аномальных свойств электропроводности висмута в сильных магнитных полях (эффект Капицы). А их итогом стала теория диамагнетизма Ландау. В первой части своей работы Ландау решает ту же задачу, что и Френкель с Бронштейном, и получает, естественно, тот же энергетический спектр.

Любопытно отметить, что за четыре месяца до статьи Раби в том же журнале была помещена статья В. А. Фока о квантовании гармонического осциллятора в магнитном поле. Осциллятор с частотой со=0 можно рассматривать как свободный электрон. Формулы для квантования его энергии в магнитном поле в пределе со—<ю следуют из фоковских формул для осциллятора, однако это осталось незамеченным [253].

3.4. «Новый кризис в теории квант»

Первым крупным научным собранием, в котором участвовал Бронштейн, был Всесоюзный съезд физиков. Так назвали седьмой съезд, проводившийся Российской ассоциацией физиков 19—24 августа 1930 г. в Одессе. Прибыло более 800 делегатов, темы двухсот докладов охватывали всю физику. Среди зарубежных участников были А. Зоммерфельд, В. Паули, Ф. Саймон, Р. Пайерлс, Ф. Хоутерманс.[15]

Для Одессы съезд был большим событием. Пленарные заседания проходили в здании горсовета, открытие транслировалось по радио. Городские власти позаботились об участниках съезда, предоставив лучшие гостиницы, а для физической молодежи — комнаты в лучшем студенческом общежитии. Забавная подробность: делегаты имели право бесплатного проезда в трамваях. Было организовано бюро по обслуживанию делегатов: билеты в театры, кино, на экскурсии. Впрочем, наибольшей популярностью в свободные часы между утренними и вечерними заседаниями пользовались знаменитые одесские пляжи, особенно — в Лузановке .

Учитывая, что съезду предшествовала работа Бронштейна о квантовании свободных электронов в магнитном поле, можно было бы думать, что из шести секций съезда для него наиболее интересна была Секция электронной теории металлов. Тем более, что доклады на этой секции делали А. Зоммерфельд (о влиянии магнитного поля на электропроводность), И. Е. Тамм и С. П. Шубин (о селективном фотоэффекте), Л. В. Шубников.

Однако есть свидетельство, что наибольшее внимание Бронштейна тогда привлекал «Новый кризис теории квант». Так он озаглавил статью [64], написанную в августе—сентябре 1930 г. и опубликованную в журнале «Научное слово»[16].

Мастерскими штрихами обрисовав эволюцию физической науки, автор особое внимание обращает на то, что для физики, выходящей за пределы макромира, недостаточно представлений, «заимствованных из опыта дикаря, из опыта детской комнаты, короче говоря, из макроскопического опыта». И затем выразительно рисует состояние «нового» кризиса в квантовой физике, связанного с необходимостью квантово-релятивистской теории. («Старый» кризис разрешился в середине 20-х годов заменой теории Бора на квантовую механику.) У нового кризиса были различные проявления, из которых Бронштейн упоминает «±-трудность» уравнения Дирака (состояния с отрицательной энергией), бесконечность собственной энергии электрона, загадку устройства атомного ядра (прежде всего проблему « внутриядерных электронов»).