Текст книги "Цепная реакция идей"

Автор книги: Федор Кедров

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 14 страниц)

В Москве в 1971 году в докладе на коллоквиуме, посвященном 100-летию со дня рождения Резерфорда, П.Л. Капица говорил о роли выдающейся личности, по его выражению, «большого ученого-творца» в развитии науки. Эта проблема занимает многие умы, и тем более интересно познакомиться с тем, как представляет себе ее решение один из выдающихся ученых современности.

Капица утверждает, что наука – это познание человеком законов природы; эти законы едины, поэтому путь развития науки предопределен, и ни один человек, пусть даже гений, не может его изменить. Но если это так, то, может быть, гениального человека можно заменить коллективом менее способных людей? Будет ли при этом успех их научной работы в полной мере обеспечен ее хорошей организацией? И будет ли этот успех эквивалентен тому, которого может достичь творческий коллектив научных работников с талантливым ученым во главе?

Вопросы отнюдь не праздные, они активно обсуждаются в научных институтах всего мира. Капица с полной убежденностью на них отвечает отрицательно.

Развитие науки, говорит Петр Леонидович, заключается в нахождении новых явлений природы и законов, которым они подчиняются. Это происходит путем создания новых методов исследования. Открытие чего-то нового, до этого не существовавшего относится к творческой деятельности человека и признается наиболее высоким проявлением духовной деятельности людей. По мнению Капицы, появление даже одного крупного ученого сразу будет сильно повышать эффективность деятельности всего коллектива.

Ученый часто вспоминает обращенные к нему слова Резерфорда: «Капица, я себя чувствую молодым потому, что работаю с молодежью».

И Капица в общении с молодежью продолжает оставаться молодым, успешно противоборствуя быстрому движению времени. Кажется, он вовсе не думает о возрасте, проводя долгие часы в лаборатории со своими помощниками, выстаивая два часа на кафедре во время очередного доклада на Ученом совете или в академии, путешествуя в далекие страны. Он не теряет чувства юмора. С необыкновенной находчивостью Капица отвечает на вопросы и реплики из аудитории, и порой кажется, что чем более «коварны» слова его слушателей, тем большее удовольствие ему доставляют, зажигая и подхлестывая его.

В нескольких вариантах существует анекдот о том, как Капица был приглашен одной фирмой для консультации. Как ученого и инженера его попросили установить, почему не работает новый электродвигатель. Капица осмотрел двигатель, несколько раз включал его – никакого результата. Тогда он попросил принести молоток. Капица взял молоток и ударил в одном месте. Произошло чудо: двигатель заработал. За консультацию он заранее получил 1000 фунтов. Представитель фирмы, удивившись, что для пуска двигателя понадобился только удар молотком, попросил Капицу представить счет на полученную сумму. Капица представил. В счете он написал, что удар молотком оценивает в 1 фунт. Остальные 999 фунтов причитаются ему за то, что он знал, в какое место ударить.

В этом анекдоте скрыт определенный смысл, относящийся к характеру Капицы, проявляющемуся в других сферах. Те, кто сталкивается с Капицей, могли бы сказать, что он почти всегда знает, «в какое место надо ударить», чтобы вызвать желанный результат.

За научные заслуги Капица награжден пятью орденами Ленина, двумя Государственными премиями, он дважды Герой Социалистического Труда. В 1975 году, когда пишутся эти строки, маститый 80-летний академик, повинуясь неугасимому духу испытателя природы, продолжает свои эксперименты, стремясь покорить упрямую, пока еще не поддающуюся человеку энергию термоядерного синтеза.

Яков Ильич Френкель

Жизнь без иллюзий. Признание

Когда-то на семинаре Иоффе в Петрограде молодой теоретик Френкель увлеченно рассказывал о замечательных работах Резерфорда – основателя ядерной физики... Теперь Френкель стоял перед Резерфордом в скромном кабинете в Кевендишской лаборатории, и великий физик громким голосом беседовал с ним. Оказывается, он знаком с работами Френкеля и высоко их ценит.

Капица, представивший своего старого друга Резерфорду, был очень доволен, что кембриджский шеф так хорошо принял молодого ленинградского теоретика.

После беседы Резерфорд пригласил Френкеля осмотреть Кевендишскую лабораторию. Он всегда с величайшей гордостью показывал иностранцам свои пенаты.

Втроем они вошли в комнату, где работали молодые англичане Джон Кокрофт и Эрнст Уолтон. Френкель узнал здесь, что эти физики пытаются осуществить сенсационный эксперимент, конструируя высоковольтную экспериментальную установку для ускорения заряженных частиц – протонов.

Теперь этот первый в мире протонный ускоритель Кокрофта и Уолтона, созданный по идее Резерфорда, мирно покоится в Музее естественной истории в Лондоне.

Но тогда сам Резерфорд показывал эскизы будущей установки. Объяснив Френкелю назначение двух цилиндрических стеклянных колонок, из которых одна служила источником тока высокого напряжения (до 500 тысяч вольт), а другая – «атомной пушкой» (по ней пролетал пучок протонов, разогнанных в электрическом поле высокого напряжения), Резерфорд сказал:

– Атом всегда склонен вести себя не как источник энергии, а как «прорва», поглощающая энергию. Нужно израсходовать значительно больше энергии на расщепление атома, чем можно будет получить ее этим путем.

Джон Кокрофт не мог удержаться от возражений:

– Нет, сэр, я не сомневаюсь, что в будущем найдут пути использования атомной энергии. Энергия для расщепления атомов будет несравненно меньше, чем получаемая при этом гигантская энергия.

Спор между великим Резерфордом, не верившим в возможность использования атомной энергии для практических нужд, и Кокрофтом шел давно. Позиция Кокрофта в этом споре была более слабой, чем позиция Резерфорда, Кокрофт опирался в основном на интуицию. Беседа, свидетелем которой он оказался, произвела на Френкеля сильнейшее впечатление. Не исключено, что именно она дала толчок новому направлению мысли. Спустя много лет Френкель создал свою знаменитую электрокапиллярную теорию деления тяжелых ядер.

После открытия атомного ядра и искусственного расщепления легких ядер – оба открытия принадлежали Резерфорду – предстояло решить еще одну задачу – развить теорию ядерных явлений. Без этого нельзя было рассчитывать на осуществление цепной реакции в ядрах атомов тяжелых элементов.

Первым советским физиком-теоретиком, занявшимся проблемами ядерной физики и достигшим весьма важных результатов, был Яков Ильич Френкель.

Ядерная физика не была единственным объектом теоретических исследований Френкеля. Ему принадлежат крупнейшие открытия и в других важнейших областях.

Френкель – один из выдающихся основателей советской теоретической физики. Своими работами он внес ценный вклад в советскую и мировую науку и содействовал успехам современной теоретической физики.

Яков Ильич Френкель родился 10 февраля 1894 года на юге России в Ростове-на-Дону. В раннем детстве он проявил способности к музыке и поэтому его обучали игре на скрипке. В двенадцать лет стал заниматься живописью. Увлечение музыкой и живописью ученый сохранил на всю жизнь.

Математика и физика захватили Френкеля, когда он учился в гимназии в Петербурге, куда переехала семья. Будучи гимназистом, он написал две обширные работы по математике и по физике (теория происхождения атмосферного электричества). Хотя оба сочинения были незрелыми, они свидетельствовали о бесспорной одаренности юного автора. В 1913 году Френкель окончил гимназию с золотой медалью. Спустя три года он завершил образование в Петербургском университете, окончив физико-математический факультет по «математическому разряду».

Летом 1916 года известный петроградский физик Абрам Федорович Иоффе организовал в своей лаборатории в Политехническом институте семинар по проблемам физики. В нем принял участие Френкель. Вместе с другими начинающими учеными, в том числе П.Л. Капицей и Н.Н. Семеновым, Френкель участвовал в дискуссиях, составлял обзорные рефераты по статьям, публиковавшимся в научных журналах, делал доклады. Выступающие на семинаре, разумеется, могли без всякого стеснения высказывать свои мысли и взгляды на обсуждавшиеся проблемы, бурно выражать свои восторги, как и свое неудовольствие, иронизировать над авторитетами. Иногда дискуссии затягивались до полуночи.

В начале 1917 года семья Френкелей переехала в Ялту. Сам он остался в Петрограде.

С 1918 по 1921 год Яков Ильич жил в Крыму вместе с родителями. Он был избран приват-доцентом созданного в 1918 году Таврического университета. Среди студентов, посещавших его лекции по физике, были И.В. Курчатов и К.Д. Синельников – в будущем известные ученые-физики.

С 1919 года ассистентом кафедры физики работал только что окончивший Московский университет теоретик Игорь Евгеньевич Тамм.

Жизнь преподавателей и студентов в голодающем Крыму была очень трудной. После лекций они на равных условиях получали бесплатный «обед» – неизменный суп из перловой крупы, прозванной иронически шрапнелью, в котором плавали 2...3 микроскопические рыбки-тюльки.

Каждому полагался также хлебный паек – 200 граммов в день. Помещения зимой совершенно не отапливались, и комнаты были пропитаны сыростью и холодом. Об электрическом освещении почти забыли. Повсюду пользовались примитивными коптилками.

Френкель в этот период подружился с Таммом; оба, несмотря на суровые условия быта, сумели сохранить оптимизм. Дружба их продолжалась всю жизнь до самой смерти Френкеля.

Тамм писал о Френкеле: «Это был живой, общительный, увлекающийся, необычайно разносторонний человек. Наряду с наукой, он находил время и для игры на скрипке, и для живописи (сохранился целый ряд написанных им картин и портретов друзей и знакомых); он не только обладал своеобразным обаянием, покорявшим даже мало знакомых с ним людей, но отличался и необыкновенной душевной теплотой и был на редкость добрым человеком, в подлинном, самом лучшем смысле этого слова».

Френкель, каким его рисует Тамм, уже зрелый человек с жизненным опытом, высоко ценимый за свой талант и человеческие черты.

В начале 1921 года Френкель по вызову А.Ф. Иоффе вернулся в Петроград уже с женой, С.И. Гординой, бывшей студенткой Таврического университета. Уезжая из Симферополя, он обещал похлопотать в Петрограде о помощи бедствующим профессорам и студентам Таврического университета. Для этого Френкель встретился с Максимом Горьким в его квартире на Кронверкской. Однако положение в Петрограде было не лучше, чем в Крыму.

Бывшая студентка физико-механического факультета Е.Д. Девяткова вспоминает о зиме 1921...1922 года: «Топлива практически не было, и учебные помещения не отапливались. По этой причине с января до апреля 1922 года занятия были прекращены и второй семестр перенесен на летние месяцы. Отдельные занятия со студентами физико-механиками проводились в сравнительно небольшой комнате – канцелярии факультета, в середине которой была сложена кирпичная печка с выводом трубы прямо через форточку. Дежурный студент должен был заранее приходить и растапливать печку. Поскольку дрова были сырыми, на занятиях часто приходилось сидеть в густом дыму. С осени 1922 года с отоплением стало несколько лучше».

К этому стоит добавить, что студенты были полуголодными, не имели учебников – нелегко было в такой обстановке доносить до них премудрости физики. Но зато оптимизма ни профессору, ни слушателям было не занимать – на нем все и держалось.

Френкель, как и другие профессора, большей частью читал совершенно новые курсы. Е.Д. Девяткова замечает, что особенно много заниматься приходилось по предметам Френкеля.

На студенческом семинаре Я.И. Френкеля студенты делали доклады по журнальным статьям. Главным образом это были экспериментальные исследования немецких ученых в области электронных и ионных явлений в вакууме и в газах, продолжавших работы Томсона и Резерфорда в Кембридже в конце прошлого века. Теоретических работ не было. Курса ядерной физики не читали, хотя к этому времени за границей было уже опубликовано много работ Резерфорда, Бора и других исследователей атомного ядра.

Френкелю пришлось создавать теоретическую физику в нашей стране, преодолевая некоторое предубеждение к теоретикам, в том числе и со стороны даже кое-кого из крупных ученых.

Приглашая Я.И. Френкеля в свой институт, А.Ф. Иоффе проявил определенную дальновидность, хотя сам в то время недооценивал теоретическую физику. Тогда Иоффе казалось достаточным иметь в штате крупного научного института одного теоретика. Но это было, конечно, заблуждение, каких немало находим мы в биографиях выдающихся ученых. В то же время сам Иоффе глубоко понимал теорию тех явлений, которые исследовал и изучал. Он дожил до небывалого расцвета теоретической физики и, в частности, до торжества теоретических идей своего ближайшего сотрудника Френкеля.

Долгие годы Френкель был единственным теоретиком в Физико-техническом институте, где работали десятки экспериментаторов и значительный персонал инженерно-технических специалистов.

Но наступила эра, когда теоретики стали указывать пути экспериментаторам. Например, в ядерной физике Френкель и другие теоретики в разных странах создали теоретические представления о механизме деления ядер. После этого экспериментаторы открыли цепную ядерную реакцию и вступили на путь, увенчавшийся овладением ядерной энергией.

Иоффе, как вспоминает академик И.В. Обреимов, в те времена, когда Френкель начал работу в Ленинграде, признавал профессию физика-теоретика очень полезной, но говорил, что теоретик не мыслитель, а вычислитель. Разумеется, в последующие годы прогресс теоретической физики, как и совместная работа с Френкелем, убедили его в неправоте этой точки зрения.

Френкель как физик-теоретик был одним из интереснейших мыслителей, постоянно анализирующих природу сложнейших явлений и процессов, постоянно стремящихся проникнуть в тайны, которые несет в себе загадочная и недоступная Природа.

Профессор Ф.Ф. Волькенштейн, вспоминая заседания физтеховского семинара в Политехническом институте, студентом которого он был, писал: «Яков Ильич Френкель, более чем кто-либо другой, наполнял эти заседания фейерверком мыслей, неожиданными ассоциациями, блестящими выдумками».

В течение 3...4-х лет Френкель опубликовал несколько книг: «Строение материи» (1921), «Теория относительности» (1923), «Электрическая теория твердых тел» (1924).

Осенью 1925 года благодаря содействию Пауля Эренфеста Френкель уехал на год в заграничную научную командировку. Он знакомился с постановкой дела в Геттингенском и других немецких университетах.

В Геттингене Я.И. Френкель работал у известного теоретика Макса Борна – одного из основателей квантовой механики. В то время здесь находилось несколько молодых советских ученых: С.И. Вавилов, П.Л. Капица (приехавший из Кембриджа), Ю.А. Крутков, В.Н. Кондратьев (стажировавшийся у Джеймса Франка).

Это был период небывалого подъема теоретической физики, время рождения квантовой механики. Позднее новой науке посвятили долгие годы работы Я.И. Френкель и П.Е. Тамм.

Спустя много лет – в 1961 году – Борн писал о Френкеле: «Френкель был моим сотрудником в Геттингене в двадцатых годах, и я высоко ценил его. Он был буквально заполнен идеями и вместе с тем превосходно владел всей техникой теоретической физики. Хотя его идеи были иногда довольно странными, они всегда были плодотворными. Я с большим интересом знакомился также и с его последующими статьями и книгами. Его ранняя смерть причинила мне большое огорчение».

...20 ноября 1925 года в полдень Френкель подымался по лестнице дома №5 по Габерландштрассе в Берлине. Он заметно волновался... И вот он в рабочем кабинете великого ученого.

Эйнштейн в вязаном жилете, без пиджака, в изрядно потертых брюках и в сандалиях на босу ногу с большим вниманием выслушал молодого человека.

В течение двух часов Френкель излагал соображения, которые должны были составить основу его доклада на семинаре. Когда в беседе были затронуты некоторые другие вопросы, связанные с квантовой теорией, Эйнштейн резюмировал свое отношение к ней словами: «Положение отчаянное, ничего понять невозможно!».

Через несколько дней Френкель пришел на семинар в физической аудитории Берлинского университета. Председательское место занимал Макс фон Лауэ, ученик Макса Планка. Несколько лет до этого Яков Ильич с большим интересом знакомился с выдающимися работами Планка по термодинамике излучения, а теперь увидел здесь самого автора. Макс Планк, хорошо знакомый физикам по портретам, невысокого роста, с лысой головой и небольшими черными усами, в металлических очках, сидел в первом ряду. С ним о чем-то говорил Альберт Эйнштейн – с седеющей гривой длинных волос и погасшей трубкой во рту. В пожилом человеке, одетом в старомодный сюртук и белый жилет со звездой на лацкане, Френкель узнал физика Вальтера Нернста – он был известен еще и как изобретатель «лампочек Нернста» и рояля Нернста – Бехштейна.

Места в аудитории занимали и физики менее высокого ранга, студенты. Среди многих участников было всего несколько женщин. Чтобы проникнуть сюда, им понадобилось заручиться специальным разрешением администрации университета. В числе других была и скромная ассистентка Лизы Мейтнер. Впоследствии эта выдающаяся исследовательница прославилась тем, что вместе с профессором института Кайзера Вильгельма в Берлине Отто Ганом, учеником Резерфорда, объяснила деление урана.

На этом семинаре Френкель изложил свою теорию электропроводности металлов. Иоффе, сидевший в первом ряду, время от времени одобрительно кивал головой. Доклад Френкеля и реакция аудитории явно доставляли ему удовольствие.

После доклада начались прения. Эйнштейн сказал краткую речь, подчеркнув, что «соображения Френкеля совершенно правильны, а результаты весьма замечательны».

Из Германии Френкель выехал в Англию и побывал в Кембриджском университете, где работавший в то время П.Л. Капица познакомил его с Кевендишской лабораторией и ее руководителем Эрнестом Резерфордом. В Париже Яков Ильич посетил Институт радия, где познакомился с Мари Кюри, Фредериком Жолио-Кюри и Полем Ланжевеном.

В 1927 году Яков Ильич был делегатом Международного физического конгресса в итальянском городе Комо, посвященном памяти Александра Вольты.

На конгрессе присутствовали крупнейшие теоретики и экспериментаторы разных поколений. Были здесь знаменитые датчанин Нильс Бор и немец Арнольд Зоммерфельд, а также совсем молодой итальянский теоретик Энрико Ферми.

Между прочим через несколько лет Френкель встретился с Зоммерфельдом в Одессе, где происходил Первый Всесоюзный физический съезд (август 1930). Зоммерфельд, Вольфганг Паули и другие крупные иностранные физики были гостями съезда. Зоммерфельд попросил Френкеля перевести его обзорный доклад по квантовой теории металлов. Яков Ильич, конечно, согласился. Он сам был прекрасно осведомлен о работах Зоммерфельда и других ученых в этой области. Переводя доклад, Френкель комментировал некоторые мысли Зоммерфельда и писал формулы, поясняя ход рассуждения и упрощая более сложные математические выражения, представляемые докладчиком. После окончания доклада Зоммерфельд горячо поблагодарил Френкеля и, указывая на формулы, написанные на доске, добавил: «Я сам узнал много полезного для себя, чего ранее и не подозревал».

Направляясь из Берлина на конгресс в Комо – маленький городок в северной Италии, Френкель побывал проездом в «вечном городе» – Риме. Со свойственной ему жаждой познания он постарался за короткое время ознакомиться со многими достопримечательностями искусства и архитектуры.

Однако радость встречи с великим искусством была омрачена: в Италии этого периода утверждался фашизм. Тупая жестокость, подавление свободомыслия, репрессии становились нормой жизни в стране, давшей миру столько шедевров искусства.

Френкель несколько раз побывал на экскурсиях, устраивавшихся для делегатов конгресса. Но он решительно отказался пойти на прием, устроенный диктатором Муссолини для участников конгресса. Френкель также категорически отказался отправиться на прием к губернатору Рима и не присутствовал на аудиенции, которую дал папа Пий XI делегатам конгресса.

В начале октября 1927 года Френкель вернулся из Италии на родину. В его портфеле были записки и оттиски статей, свидетельствующие об успехах молодой науки – квантовой механики.

В 1930 году Френкель побывал в США, куда он был приглашен в качестве «гостевого профессора» Миннеаполисского университета. В этот период Яков Ильич читал лекции в американских университетах, знакомился с научно-исследовательскими физическими институтами и участвовал в научных конференциях нескольких штатов.

Многие исследования Френкеля быстро завоевывали широкое признание. Кроме электронной теории металлов, теории жидких тел и других, мировую известность получили «экситоны Френкеля» и его работы по теории ядра, выполненные в тридцатых годах.

Экситоны, статистическая модель ядра, капельное деление тяжелых ядер могут служить яркими примерами научного творчества Френкеля. Конечно, они недостаточны, для того чтобы дать представление о широком круге выполненных им работ в различных областях теоретической физики.

Современная теоретическая физика – область научного творчества Я.И. Френкеля – занимает исключительное место в физике, простираясь на все ее разделы, или, как мы говорим, на все физические науки. Академик В.Л. Гинзбург указывал, что теоретическая физика, конечно, не стоит над всей физикой и немыслима без эксперимента. Но именно теоретическая физика играет связующую роль. Фактически ею в основном занимались Ньютон, Максвелл и другие великие ученые.

Со времени Ньютона и Максвелла роль теоретической физики в развитии науки непрерывно росла. Вся первая половина XX века, когда физика стала важнейшей наукой, определяющей прогресс человечества, проходила под знаком идей двух великих физиков-теоретиков Альберта Эйнштейна и Нильса Бора, основателей теории относительности и квантовой механики. Без этих двух теоретических учений физика нашего времени не достигла бы вершин, и мы с вами не стали бы свидетелями грандиозных успехов техники и технологии.

В принципе теоретическая физика, благодаря единству методов и идей может быть доступна одному человеку, овладевшему этими методами и идеями. Фактически же из-за огромного расширения объема теоретической физики большинство теоретиков стали работать в отдельных областях, т.е. ограничили себя определенной специализацией.

Научные труды Френкеля охватывают большое количество актуальнейших областей физики. Они представляют собой важные и выдающиеся открытия и свидетельствуют о глубоком проникновении их автора в современные методы и идеи физики.

Френкель как физик-теоретик с самого начала вступления на путь ученого заинтересовался теми проблемами, которые были наиболее актуальными для науки его времени и, вероятно, всего века. Многие из них до сих пор не утратили своей актуальности и еще не решены полностью.

К началу нашего века исследования электричества и электромагнетизма, оптических явлений, газовой динамики создали почву для возникновения новых идей в области молекулярного строения вещества, в частности строения твердого тела и жидкостей, оптических и электрических явлений, происходящих в веществе.

Эти области привлекли внимание Френкеля благодаря тому, что казались сложными и даже недоступными для физика-экспериментатора, в то время как было очевидно, что они призваны сыграть первостепенную роль в развитии физики. Речь идет не только о том, что исследователи не обладали необходимыми средствами для экспериментирования, но не существовало квантовой механики, с помощью которой позднее ученые разрешили многие сложные проблемы вещества.

Теоретические работы Френкеля объясняли многие физические процессы в свете квантовомеханических идей, разработанных после Бора многими учеными, в том числе Полем Дираком и Максом Борном, у которого Френкель работал в Геттингене, Луи де Бройлем, Эрвином Шредингером и Вернером Гейзенбергом. Эти процессы не могли быть удовлетворительно объяснены с помощью классической ньютоновой механики.

Особенно это относится к структуре жидких и твердых тел. Френкель создает квантовую теорию металлов, утверждающую, что в металле электроны находятся в квантовых состояниях и постоянно меняются местами. На основе этой теории были сделаны открытия исключительной важности. Они обогатили наши знания структурных процессов и привели к крупным техническим достижениям.

Теория экситонов Френкеля дала новое направление в развитии основных представлений физики твердого тела. «Экситоны Френкеля» – это понятие, известное всем физикам мира, как термины «фотон» (квант света) и «фонон» (квант звука), предложенные академиком И.Е. Таммом. И.Е. Тамм называет Френкеля «крестным отцом» фонона.

Перед нами целая серия частиц квантового мира, в которую входит и экситон Френкеля. Но это совсем не такие частицы, как атом, молекула, ион, составляющие структуру вещества.

В конденсированном веществе (например в твердом теле) существуют физические явления, которые физики называют волнами возбуждения. Такие волны возбуждения бывают нескольких видов. Голландский ученый Питер Дебай ввел представление об упругих (звуковых) волнах, связанных с упругими колебаниями атомов в кристаллической решетке.

Любое возбуждение, переданное от атома к атому решетки, не локализуется здесь, а воспринимается всей решеткой в виде волны возбуждения.

Квантовая механика показывает, что любое движение обладает корпускулярно-волновым свойством. Свет можно рассматривать как волны и поток частиц – квантов света (фотонов).

Волны возбуждения, возникающие в кристалле, тоже подчиняются этому закону – они, как говорят, квантуются, т.е. передаются в виде отдельных порций, а именно фотонами, фононами и экситонами. Чтобы не смешивать их со структурными частицами, например с атомами, молекулами, ученые, занимающиеся физикой твердого тела, условились называть их квазичастицами (т.е. «почти частицами»). Законы движения квазичастиц подобны законам обычных частиц (хотя могут быть и сложнее). Но в противоположность обычным частицам квазичастнцы не могут появиться в вакууме. Они возникают лишь в некоторой среде, так как сами не представляют собой строительного материала, а являются лишь носителями движения. В этом главное различие между частицами и квазичастицами, другие свойства тех и других могут совпадать.

Читатели видят, как много предварительных сведений, считающихся у физиков элементарными, нужно сообщить лишь для того, чтобы приступить к объяснению «экситонов Френкеля».

Экситоны Френкеля – это еще один крайне важный и широко распространенный тип возбуждений в полупроводниках и диэлектриках, т.е. в веществах, получивших широкое применение в науке и технике. Сразу скажем, что идея Френкеля об экситонах и математически тщательно разработанная теория движения экситонов и позволили полупроводникам и диэлектрикам занять такое выдающееся положение, что о них знают теперь многие люди даже далекие по своим интересам от науки.

Для того чтобы пояснить идею Френкеля, надо напомнить о теории внешнего фотоэффекта, разработанной А. Эйнштейном еще в 1905 году. Эйнштейн ввел понятие кванта света – фотона; но сам термин «квазичастица» (фотон – первая известная в науке квазичастица) появился в физике гораздо позже. Фотоэффект заключается в том, что в веществе под действием света появляется электрический ток. Говорят, что в этом случае в веществе возникает фотопроводимость, т.е. вещество оказывается проводником электрического тока, возбужденного действием на него света или при поглощении им света, что одно и то же.

Френкель высказал идею, что кристаллы некоторых диэлектриков, т.е. веществ, не проводящих или плохо проводящих электрический ток, могут поглощать свет (причем поглощают свет именно электроны вещества), не становясь при этом проводниками. В этом случае не появляются свободные электроны, т.е. электрический ток, а происходит возбуждение нейтрального атома. Это возбуждение, возникшее где-либо в веществе, не остается неподвижным, а перемещается прямолинейно и равномерно вдоль того или иного ряда атомов, как некоторая частица, которую Френкель и назвал экситоном (квантом возбуждения).

Когда у Френкеля возникла эта идея, еще не существовал термин «квазичастица», но сейчас можно было бы так квалифицировать теоретическое открытие Френкеля. Экситон Френкеля – это квазичастица, переносящая в кристаллической решетке электронное квантовое возбуждение, которое возникает под влиянием поглощения светового кванта (фотона). Это возбуждение, не сопровождающееся возникновением электрического тока, Френкель назвал «оптическим» возбуждением в отличие от возбуждения, при котором возникает свободный электрон (отрывающийся от атома). При возникновении свободных электронов возможна фотопроводимость кристалла. Экситоны создаются за счет фотонов, поглощающихся веществом, и поэтому Френкель не мог назвать открытую им квазичастицу просто квантом. Это могло бы вызвать путаницу в понятиях между новой квазичастицей и световым квантом.

Спустя 35 лет после этого открытия Френкеля, в 1966 году, физики прочли сообщение о том, что Ленинскую премию получила группа ученых «за теоретическое и экспериментальное исследование экситонов».

В хроникальной заметке «Присуждение Ленинской премии 1966 года» («Успехи физических наук», т. 89, вып. 3) подчеркивалось, что «идея экситона, выдвинутая впервые Я.И. Френкелем для интерпретации механизма поглощения света кристаллами, оказалась необычайно гибкой и плодотворной».

Теория экситонов, начало которой положил Френкель, в последующие годы продолжала плодотворно развиваться, проникая во многие области и получая практическое применение.

Сразу после опубликования Френкелем статьи «О превращении света в тепло в твердых телах», в которой он впервые предложил понятие «экситон» (1931 год), идея Френкеля обратила на себя внимание ряда крупных физиков-теоретиков и экспериментаторов различных стран. Появились статьи об экситонах Р. Пайерлса в Германии, В. Шокли и Д. Олетера, а также Г. Ванье в США, Н. Мотта в Англии. Идеей Френкеля заинтересовались также ученые-теоретики, такие, как Джеймс Франк из Геттингенского университета и Эдвард Теллер (получивший впоследствии широкую известность как один из создателей атомного и термоядерного оружия).

Многие экспериментаторы обращались к гипотезе об экситоне как носителе энергии для объяснения тех или иных физических явлений. Например, роль экситона принималась во внимание при объяснении внешнего и внутреннего фотоэффекта.