3.10. Физика полупроводников и ядерная физика

3.10. Физика полупроводников и ядерная физика

Из того, что до сих пор рассказывалось о научных интересах М. П. Бронштейна, можно понять, что основное внимание он уделял фундаментальным областям физики. Это правда, но не вся. Настоящего исследователя может увлечь любая задача, если только она хороша. По существу, надо говорить об исследовательском инстинкте, для которого важно только то, чтобы задача была достаточно интересна. В фундаментальной физике XX в. ключевая фигура — Эйнштейн, и в его творчестве проявилась универсальность исследователя, который с фундаментальной физики переключается на поведение чаинок и форму речного русла, на изобретение холодильника, самолета и т. д. [288].

Не был исключением и герой нашей книги. Он придумывал, например, электромагнитный способ определения скорости самолета (сохранился доброжелательный отзыв И. В. Курчатова на это изобретение). По-видимому, и его литературная работа восходила к интересной изобретательской задаче: придумать способ рассказать просто, понятно и в то же время правильно о сложных научных проблемах и добытых истинах.

Разумеется, появлялись у М. П. также исследовательские задачи, выдвигаемые развитием физики и его служебными обязанностями. В автобиографии от 23 июня 1935 г. свою деятельность в ЛФТИ он описал тремя предложениями: «За время пребывания в институте написал ряд работ (по теории электронных полупроводников, по космологической проблеме и др.). Одновременно занимался, хотя и немного, преподавательской деятельностью: например, в 1934/35 г. мною прочитан для молодых сотрудников Физико-технического института курс лекций по теории атомного ядра; также преподаю и в университете. Написал также ряд научно-популярных и обзорных работ, в том числе научно-популярную книгу «Строение вещества». ОНТИ, 1935» [103].

Можно быть уверенным, что М. П. писал эти строки, не заботясь о том, как полвека спустя занудливый историк будет восстанавливать структуру его интересов. Конечно, соседство полупроводников и космологии очень впечатляет, но в остальном описание весьма приблизительно характеризует полнокровную научную жизнь Бронштейна. За первые пять физтеховских лет он опубликовал больше двух десятков научных работ и столько же популярных (в том числе две книжки), написал замечательную книгу для детей «Солнечное вещество». Для студентов и аспирантов читал лекции по электродинамике, квантовой механике, статистической физике, общей теории относительности и т. д.

Наибольшее «общественное» признание в тот период получила его работа по теории полупроводников [193]. Когда в 1934 г. были введены ученые степени, в ФТИ были уверены (и Я. И. Френкель и ученый совет), что именно эта работа станет докторской диссертацией Бронштейна (как мы увидим, он решил иначе). Это было связано и с большим прикладным значением, которое придавалось физике полупроводников.

Исследования по физике полупроводников широко развернулись в ФТИ с начала 30-х годов, и Бронштейн сразу же включился в них [12, 17]. Большую роль в освоении новой области сыграл обзор [13], предназначавшийся в первую очередь для экспериментаторов. Бронштейн с педагогическим мастерством в простой форме изложил основные результаты А. Вильсона и дал количественную теорию проводимости полупроводников, а также термоэлектрических, гальваномагнитных и термомагнитных явлений в них.

Бронштейн работал в области физики полупроводников в самом начале ее бурного развития. Поэтому неудивительно, что его результаты довольно быстро растворились в широком потоке исследований. Однако можно думать, что они сыграли свою роль. Об этом отчасти свидетельствует то, что его статьи упоминаются в обзоре Б. И. Давыдова и И. М. Шмушкевича 1940 г. [299], который долгое время был настольным для специалистов.

К ядерной физике относится немного научных работ Бронштейна. Важнее была его просветительская роль в этой области, в осмыслении лавины новых данных, возникшей в 1932 г. и ставшей началом современной ядерной физики. Надо сказать, что ядерная физика в то время не очень подходила для теоретиков, подобных Бронштейну. Больший простор там был для прагматично настроенных теоретиков, не особенно обремененных заботами о целостной физической картине. До 1932 г. господствовала уверенность, что в область ядерных явлений невозможно проникнуть, не располагая квантово-релятивистской теорией (проблема «внутриядерных» электронов). Но открытие нейтрона и гипотеза нейтрино эту уверенность разрушили. Огромная область требовала исследований.

В конце 1932 г. приказом по ФТИ Бронштейн был включен в специальную группу, которой предстояло развернуть исследования физики атомного ядра. В приказе ядерная физика называлась «второй центральной проблемой научно-исследовательских работ в ЛФТИ» [132] (первая — физика полупроводников). Начальником группы назначался сам А. Ф. Иоффе, заместителем — И. В. Курчатов, ответственность за работу семинара по ядру возлагалась на Д. Д. Иваненко.

Бронштейн активно участвовал в ядерной жизни ФТИ, был одним из главных докладчиков на ядерном семинаре. Как теоретик, он был прикреплен к отделу ядерной физики и читал для сотрудников ФТИ лекции по теории ядра. Сохранился отзыв его как оппонента на диссертацию Л. А. Арцимовича «Поглощение медленных нейтронов» [286]. О физике ядра он писал в энциклопедии, в популярных статьях и книгах.

Важным событием в советской ядерной физике была первая Всесоюзная ядерная конференция. Решение о ее проведении было принято в конце 1932 г., оргкомитет возглавил завотделом ядерной физики ЛФТИ И. В. Курчатов [287].

Конференция проходила 24—30 сентября 1933 г. Предыдущий год стал для ядерной физики годом чудес, главными из которых были открытия нейтрона и позитрона. Экспериментальные открытия выдвинули несколько жгучих вопросов: природа позитрона, природа космических лучей (в которых был обнаружен позитрон), строение ядра, физика бета-распада и аномального рассеяния гамма-лучей и т. д. На конференции предстояло обсудить сенсационные экспериментальные новости и трудные теоретические проблемы.

Ситуация в тогдашней физике была весьма драматичной. Открытие позитрона триумфально подтвердило дираковскую теорию и сделало Дирака главным героем конференции, однако предполагаемая его теорией бесконечная (но незаметная!) плотность заряда и энергии электронов, находящихся на отрицательных уровнях, была нелегким испытанием для теоретиков (на конференции об этом в особенно сильных выражениях говорил Фок). Нейтрон-протонная модель ядра и элементарность нейтрона отнюдь не стали общепризнанными. Более того, появились сильные сомнения в элементарности протона (к этому склонялись, например, Дирак и Жолио). Эти сомнения порождались сразу несколькими причинами: имелись данные, что масса протона больше массы нейтрона; появились первые наблюдения позитронной радиоактивности, т. е. распада протона на нейтрон и позитрон; и, самое главное, измеренный магнитный момент протона оказался намного больше, чем следовало из уравнения Дирака (в предположений элементарности протона).

Освоению горячего материала, накопившегося за считанные месяцы, способствовало издание сборника трудов конференции «Атомное ядро», подготовленного редколлегией, в которую входил и Бронштейн (секретарь конференции). Он же подготовил разного уровня обзоры конференции [19, 77]. Написанные всего через несколько дней после окончания конференции, эмоционально и со свойственным автору мастерством, они во-влекали в работу конференции многих заочных участников[30]. Обзор в «Сорене» [77] делал такое участие даже немного очным с помощью выразительных портретных зарисовок участников конференции (художник Н. А. Мамонтов). В этих обзорах излагались важнейшие, еще не опубликованные экспериментальные и теоретические результаты. В частности, рассказывалась еще не вполне законченная работа Дирака и Пайерлса о «деформированном, или "поляризованном" распределении электронов с отрицательной энергией₁₉» — о поляризации вакуума, в современных терминах[31].

На конференции Бронштейн был, однако, не только слушателем. 27 сентября состоялись доклады Дирака «О теории позитрона», Г. Бека «Теория непрерывных бета-спектров», В. Вайскопфа «Новая теория Бора и Розенфельда» и Бронштейна «Космологические проблемы».

Доклад Бронштейна только на первый взгляд совершенно не связан с другими. В предварительной программе конференции, составленной в декабре 1932 г., был предусмотрен пункт «Теория структуры ядра и вопросы релятивистской квантовой механики», а в качестве одного из докладчиков по этому пункту указан Бронштейн [132]. В 1933 г. у Бронштейна были опубликованы три работы на космологическую тему, и по ним можно составить представление о содержании его доклада. Эти публикации имели прямое отношение к проблеме релятивистской квантовой теории, так же как и другие доклады, прочитанные 27.9.1933 г. В статье Бронштейна [16] была сделана попытка приложить к космологии гипотезу Бора о нарушении закона сохранения энергии в квантово-релятивистской физике (к которой в донейтронную эру относили бета-распад). На эту же тему была (совместная с Ландау) статья [22]. А в статье [21] обсуждалось положение космологической проблемы в структуре полной физической теории. Говорить об этих работах, однако, уместнее будет в следующих главах. В рамках историко-научного повествования трудно рассказывать с хронологической последовательностью о такой полифонической жизни, какой жил наш герой.

Следующей конференцией, на которой обсуждались вопросы ядерной физики, стала конференция по теоретической физике в Харькове 20—22 мая 1934 г. На конференцию приехал Бор в сопровождении Л. Розенфельда (в газете «Харьковский рабочий» 20 мая была помещена фотография сидящих за столом Ландау, Бора, Розенфельда и Бронштейна). Подробный отчет об этой конференции, помещенный в журнале УФН [26], написал Матвей Петрович. В его собственном докладе делалась попытка увязать с ядерной физикой проблемы астрофизики — происхождение космических лучей и взрывы сверхновых. Попытка эта не оставила следа — слишком незрелыми были эти области.

Бронштейн участвовал и в организации второй ядерной конференции. Фактически она состоялась в 1937 г., но намечалась на сентябрь 1935 г. В архиве Дирака сохранилось письмо Бронштейна от 21 апреля 1935 г. с приглашением приехать. В этом же письме Бронштейн сообщает, что второе издание книги Дирака (которую он переводил вместе с Иваненко) находится в печати и «будет опубликовано очень скоро — в течение двух или трех месяцев». Фактически книга вышла в 1937 г. Обстоятельства, с которыми была связана такая задержка, видны из письма Бронштейна Фоку от 11 апреля 1937 г.: «Сегодня я подписал к печати сигнальный экземпляр перевода Дирака. К сожалению, теперь настолько тяжелое время, что мне не удалось выиграть борьбу, которую я вел из-за этой книги с издательской сволочью. Во-первых, они добились того, что имя Димуса снято с титульного листа (для симметрии я снял и свое имя как переводчика и значусь только как редактор, на что я имею право, так как я поправил весь <...> димусов текст); во-вторых, они поместили непристойное предисловие в стиле троцкиста Шейна, где объясняется, что Дирак — мерзавец» [99][32].

Ядерной физике была посвящена последняя, по воле судьбы, статья Бронштейна. Она содержала расчеты влияния магнитного момента нейтрона на взаимодействие с веществом, в котором он движется. Эти расчеты, как отметил автор, были выполнены по просьбе И. В. Курчатова в связи с намеченными экспериментами в пединституте им. Покровского (где Курчатов заведовал кафедрой и развернул исследования). Статья Бронштейна несла, видимо, и педагогический заряд. Создается впечатление, что она имела цель научить экспериментаторов пользоваться общими методами квантовой механики для решения конкретных задач. По свидетельству сотрудников Курчатова, Матвей Петрович часто выступал в Пединституте с лекциями по современной физике.

В письме В. А. Фоку в апреле 1937 г. Бронштейн сообщал, что работает над подробной статьей для ЖЭТФа об аномальном рассеянии электронов ядрами (предварительная заметка — [32]); аномальность здесь связана с бета-взаимодействием. По-видимому, эту работу имели в виду Л. И. Мандельштам, С. И. Вавилов и И. Е. Тамм, когда в научной характеристике Бронштейна 1938 г. наряду с его результатами в теории полупроводников и в квантовании гравитации отметили: «В ряде работ по физике атомного ядра М. П. Бронштейн показал, в каких явлениях должен проявляться обменный характер ядерных сил».

Научная и просветительская деятельность М. П. Бронштейна внесла свой вклад в стремительное развитие ядерной физики в нашей стране, когда этого потребовали обстоятельства.