СФ ФИАН
Самарский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук
В. А. ГОНЧАРОВ, В. М. КАСЛИН, Ю. П. ТИМОФЕЕВ
История ордена Ленина Физического института им. П. Н. Лебедева АН СССР (ФИАНа) может служить наглядным примером коренных изменений, происшедших в отечественной науке за годы Советской власти. Широко известный в настоящее время ФИАН - это современный комплексный научный центр страны, который наиболее адекватно отвечает потребностям социалистического государства в развитии фундаментальных исследований в области физики.
Рис.1. Памятная медаль, выбитая Московским монетным двором к 250-летию института. Бронза, работа А. А. Новичкова.
Он был создан одновременно с Академией наук в 1724 г. в Петербурге и до 1912 г. именовался ее Физическим кабинетом. Чтобы охарактеризовать этот период работы, достаточно назвать лишь несколько имен его сотрудников: Д. Бернулли, Л. Эйлер, Г. В. Рихман, М. В. Ломоносов, В.В. Петров, Э. X. Ленц, Б.С.Якоби, Б. Б. Голицын. Работы этих ученых известны каждому по школьным учебникам. В 1912 г. Физический кабинет стал называться Физической лабораторией.
Она помещалась в главном здании Академии на Васильевском острове, и в ней занимались главным образом исследованиями в области спектроскопии и сейсмометрии. Вскоре после революции, в 1921 г., эта лаборатория объединилась с Математическим кабинетом Академии, и был образован Физико-математический институт Академии наук. Среди исследований его физического отдела следует отметить разработку проблем, связанных с Курской магнитной аномалией: страна нуждалась в более широком использовании своих природных ресурсов.
Рис. 2. Современный вид здания на Миусской площади, в котором ФИАН размещался в 1934 - 1952 гг.; построено в 1917 г. на средства, собранные московской общественностью для лаборатории П. Н. Лебедева. Ныне здесь помещается Институт прикладной математики АН СССР.
Решающим этапом в развитии института был переезд в 1934 г. в Москву вместе со всей Академией наук. Здесь он был преобразован в самостоятельный институт и получил свое нынешнее название. Его директором стал С. И. Вавилов, под руководством которого в ФИАНе и начал складываться высококвалифицированный коллектив ученых, способный вести исследования практически во всех наиболее актуальных областях физики и обеспечить ведущее положение в мире советской физической науки.
После смерти С. И. Вавилова в 1951 г. этот основной принцип деятельности института успешно развивался крупнейшим советским физиком Д. В. Скобельцыным, который руководил институтом до 1973 г. В этот период ФИАН превращается в один из ведущих физических центров мира. В 1973 г. директором института был избран Н. Г. Басов.
Рис. 3. Главное здание ФИАНа на Ленинском проспекте; построено в 1953 г. по проекту архитектора Д. В. Щусева.
Рис. 4. Новые корпуса лаборатории колебаний и квантовой радиофизики на улице Вавилова.
Одно из самых выдающихся достижений ФИАНа довоенного времени - открытие в 1934 г. знаменитого эффекта Вавилова - Черенкова: направленного излучения заряженной частицы при ее движении в среде со скоростью, превышающей фазовую скорость света в этой среде. В 1946 г. работа была удостоена Государственной премии СССР, а в 1958 г. - Нобелевской премии.
История изучения и использования эффекта Вавилова - Черенкова служит наглядным примером действительно комплексного характера, который приобретает в Физическом институте всякая значительная научная работа. Эффект был обнаружен учеником С. И. Вавилова П. А. Черенковым в экспериментах по люминесценции, однако вскоре С. И. Вавилов установил, что причина явления не связана с люминесценцией. По его просьбе в исследования включились И. Е. Тамм и И. М. Франк, которые и разработали теорию этого эффекта. Эта теория впоследствии была использована при создании мощных черенковских генераторов радио- и СВЧ-излучения, таких как ЛБВ, ЛОВ, клистроны и т. п. В 1946 г. В. Л. Гинзбургом и И. М. Франком был предсказан еще один возможный механизм излучения быстрой заряженной частицы, так называемое переходное излучение, возникающее при прохождении заряженной частицы через границу двух сред с разным показателем преломления. В радио-технике и этот эффект нашел применение в усилителях и генераторах СВЧ-излучения, получивших название монотронов. Однако наибольшее практическое использование явление Вавилова - Черенкова нашло в физике элементарных частиц, когда были созданы всемирно известные черенковские счетчики, регистрирующие частицы высоких энергий.
В те годы в ФИАНе большое внимание уделялось работам, которые в дальнейшем приобрели огромное значение в повышении научного и технического потенциала страны. Мы имеем в виду исследования в области люминесценции, и рассеяния света, спектрального анализа, теории колебаний и распространения радиоволн, физики диэлектриков и плазмы и, наконец, в только еще зарождавшейся области ядерной физики. Эти работы заложили основу дальнейшего развития института в послевоенный период.
Неоценим вклад фиановцев в укрепление обороноспособности нашей страны в годы Великой Отечественной войны. Казалось бы, далекие от практики фундаментальные физические исследования в течение всего нескольких месяцев, несмотря на трудности военного времени, эвакуацию института в Казань, резко сократившееся число сотрудников, были переведены на рельсы совершенно конкретных разработок для нужд вооруженных сил и оборонной промышленности. Так, методику, использовавшуюся для исследования космических лучей, оказалось возможным применить для акустической локации самолетов (не говоря уже о всем комплексе исследований акустической лаборатории); источники рентгеновского и гамма-излучений, а также ионизационные камеры - для контроля точности изготовления авиационных моторов и ружейных стволов; спектроскопические исследования - для создания методов экспресс-анализа на металлургических и химических заводах; фиановские люминесцентные составы использовались на самолетах, судах и танках; большое значение в совершенствовании войсковой радиоаппаратуры имели работы лабораторий колебаний и диэлектриков. Но наиболее важным направлением деятельности института по повышению оборонной мощи нашей страны в последний период войны и в послевоенные годы было участие вместе с учеными других институтов в работах по овладению ядерной энергией.
Вообще, характерная черта развития ФИАНа - сочетание самых разносторонних исследований на всем широком фронте физической науки с сосредоточением основных усилий всего коллектива на нескольких главных направлениях. При этом переход к новым направлениям исследований осуществляется постепенно: долгие годы новая тематика развивается в институте параллельно с другими и, выходя на первый план, вбирает в себя все предшествующие методические и научные достижения института.
В довоенные годы таким основным направлением в деятельности ФИАНа были оптические исследования, спектроскопия, люминесценция; первые десять - пятнадцать лет после войны - ядерная физика и физика элементарных частиц. В 1944 г. В. И. Векслер открыл принцип автофазировки заряженных частиц в циклических ускорителях; в результате произошел качественный скачок в увеличении энергии ускорителей и, следовательно, в познании свойств элементарных частиц и их взаимодействий.
В 1947 г. в ФИАНе был создан первый синхротрон, за которым последовал ряд других советских ускорителей - синхротронов, синхроциклотронов, синхрофазотронов, микротронов, в которых также используется принцип автофазировки. ФИАН осуществлял научное руководство при строительстве знаменитого дубненского синхрофазотрона с энергией 10 ГэВ, который вступил в строй в 1957 г.
Создание ускорителей является одним из первых примеров перехода на качественно новую ступень в развитии современной науки - индустриализацию ее экспериментальной базы, требующую больших экономических, людских, промышленных и строительных ресурсов, участия разнообразных организаций и специалистов, координации их усилий. Отрадно отметить, что ФИАН был и в этом случае одним из пионеров. Методический опыт, приобретенный при работе над ускорительными программами, оказался чрезвычайно полезным в самых различных направлениях дальнейшей деятельности института.
Под руководством Д. В. Скобельцына были проведены основополагающие работы по исследованию космических лучей. Так, к широко известным достижениям института относится открытие ядерно-каскадного процесса в ливнях космических лучей, обнаружение внешнего радиационного пояса Земли, исследование генерации солнечных космических лучей, установление связи между интенсивностью галактических космических лучей и процессами, происходящими на Солнце.
Рис.5. Многие крупнейшие физики современности побывали в гостях у фиановцев. Ф. Жолио-Кюри, Д. В. Скобельцын, А. Ф. Иоффе, С. И. Вавилов и И. Жолио-Кюри. 1936 г.
Однако этим не исчерпывалась тематика работ института. Еще в 1944 г. Б. М. Вул открыл новый сегнетоэлектрик - титанат бария, получивший практическое применение во многих областях техники. Уже после войны прикладными и теоретическими работами, связанными с сегнетоэлектричеством, долгие годы занимались в лаборатории диэлектриков совместно с теоретическим отделом. Преобразованная в лабораторию физики полупроводников, эта лаборатория посвятила себя изучению полупроводниковых диодов, транзисторов, солнечных батарей, а в дальнейшем и исследованию полупроводниковых лазеров, сверхпроводимости, способствовала внедрению этих новейших приборов и идей в другие области науки и в народное хозяйство.
Необходимо особенно подчеркнуть важнейшую роль, которую играет в жизни института теоретический отдел, успешно сочетающий фундаментальные поисковые исследования с "обслуживанием" вполне конкретных нужд экспериментальных лабораторий. В то же время в каждой из лабораторий существует и своя группа теоретиков, образующая "второй эшелон" теоретической мысли, еще более приближенный к эксперименту. Наконец, вопреки распространенному мнению о невозможности быть одновременно теоретиком и экспериментатором, в ФИАНе такой специалист отнюдь не редкость. По нашему мнению, все это во многом способствует фундаментальности большинства фиановских работ, надежности и глубокой продуманности как физических основ исследования, так и их возможных научных и практических следствий.
В послевоенные годы важным направлением института стала радиоастрономия, базирующаяся на фундаментальных исследованиях колебательных процессов и распространения радиоволн (которые в 30-е годы велись под руководством Л. И. Мандельштама, Н. Д. Папалекси, Б. А. Введенского, М. А. Леонтовича, В. А. Фока), а также на исследованиях теоретического отдела в области астрофизики. Большую роль при этом, как и при исследовании космических лучей, сыграла экспедиционная деятельность ФИАНа, создание сети научных станций. И здесь мы хотели бы упомянуть имена первых руководителей лаборатории радиоастрономии, замечательных советских ученых С. Э. Хайкина и В. В. Виткевича. Интереснейшие результаты по радиоизлучению Солнца во время затмения были получены в 1947 г. во время экспедиции в Бразилию, предпринятой по инициативе Н. Д. Папалекси. В ФИАНе построены крупнейшие радиотелескопы метрового и миллиметрового диапазонов длин волн, с помощью которых можно регистрировать объекты размером меньше 0,001 угловой секунды, проводятся эксперименты на спутниках, локация Луны и планет и т. д.
Советская школа радиофизики, созданная в ФИАНе Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси, явилась фундаментом для возникновения в начале 50-х годов нового направления работ - квантовой электроники, которая в 60 - 70-е годы постепенно заняла лидирующее положение в институте. Ее бурному развитию в большой степени способствовала также высокая культура оптических исследований, заложенная в институте работами С. И. Вавилова и Г. С. Ландсберга в области люминесценции, комбинационного рассеяния света и спектрального анализа.
Рис.6. А. М. Прохоров, Н. Г. Басов и Ч. Таунс на объединенном семинаре лабораторий колебаний и квантовой радиофизики. 1965 г.
В 1954 - 1955 гг., проводя исследования в области радиоспектроскопии, молодые сотрудники лаборатории колебаний Н. Г. Басов и А. М. Прохоров впервые в мире предложили и практически реализовали принципиально новый метод усиления и генерации когерентного электромагнитного излучения с помощью квантовых систем, на основе которого работают ныне широко известные мазеры и лазеры. Вскоре в ФИАНе был создан первый мазер - молекулярный генератор сантиметровых волн на пучке молекул аммиака. За эту работу Н. Г. Басов и А. М. Прохоров были удостоены Ленинской премии 1959 г. Практически одновременно и независимо от них этот же метод был осуществлен в США под руководством Ч. Таунса. В 1964 г. все трое стали лауреатами Нобелевской премии.
Рис.7. Первый молекулярный генератор, созданный Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым
Конец 50-х годов был периодом накопления сил в квантовой электронике, подготовки теоретической и технологической базы, на основе которой в 60-е годы наш институт широким фронтом развернул работы по созданию и исследованию разнообразного спектра лазерных приборов. В ФИАНе впервые были созданы полупроводниковые, фотодиссоционные, электроионизационные, эксимерные, газодинамические и химические лазеры. Когерентное излучение было получено в широком диапазоне длин волн - от ультрафиолетового до миллиметрового, с самыми разнообразными параметрами по мощности, длительности и частоте импульсов, степени когерентности и направленности.
Вслед за двумя крупнейшими лабораториями института - колебаний и квантовой радиофизики в лазерные исследования включаются лаборатории люминесценции, оптическая, спектроскопии, оптики низкотемпературной плазмы, физики полупроводников, плазменных ускорителей и физики плазмы. Почти сразу же лазеры и лазерные принципы нашли применение сначала в самом институте, а вскоре и за его пределами. Были развернуты исследования вынужденного комбинационного рассеяния света, разработаны методы лазерного спектрального анализа, спектроскопии и диагностики плазмы, контроля и измерения быстропротекающих процессов. Успешно ведутся работы в области нелинейной оптики, в частности, были открыты эффект самофокусировки при распространении лазерного луча в среде и явление обращения волнового фронта при вынужденном рассеянии.
В 1967 г. было запатентовано изобретение лазерного проекционного телевизора на основе полупроводникового лазера с накачкой электронным пучком. Лазеры на парах металлов послужили основой лазерного проекционного микроскопа. Широкое применение нашел приемник инфракрасного и СВЧ-излучения "Радиовизор", разработанный первоначально для нужд лазерных исследований. Ряд сотрудников института за работы в области квантовой электроники были удостоены Ленинских и Государственных премий.
Общеизвестно, что на нынешнем этапе научно-технической революции физические исследования составляют основу развития техники, которая, в свою очередь, формирует материальную базу растущих производительных сил общества. Таким образом, при планировании физических исследований необходимо учитывать будущие материальные потребности страны. Задачи, которые возникнут перед промышленностью через 10 - 20 - 30 лет, физика должна ставить перед собой сегодня.
Рис. 8. ФИАН - один из пионеров физических исследований в космосе. Солнечный спутник "Интер-космос-16" с фиановской научной аппаратурой на борту.
Рис. 9. Тянь-Шаньская высокогорная научная станция; здесь занимаются исследованием взаимодействия космических частиц гигантских энергий 1014-1016эВ
О двух "кризисах" - информационном и энергетическом - мы часто читаем в газетах. Преодолеть их должны помочь две важнейших научных программы, разрабатываемые сейчас специалистами института. Конечная цель одной из них - создание нового поколения ЭВМ, информация в которых вводится, выводится, обрабатывается и запоминается в виде оптических лазерных сигналов, создание систем лазерной связи между такими машинами, потребителями и источниками информации. Каждый из технических параметров интегрированных информационных систем на много порядков превысит параметры существующих средств передачи и обработки информации. Существенное значение в реализации этой программы приобретают проводимые сейчас исследования в области интегральной и волоконной оптики, полупроводниковых лазеров, голографии, фотоприемников.
Рис. 10. Экспериментальная установка для изучения управляемых голографических транспарантов - одного из основных элементов оптоэлектронных информационных систем.
Рис. 11. При выращивании кристаллов для твердотельных лазеров были получены необыкновенно красивые кристаллы, названные "фианитами".
Другая крупная комплексная проблема, разрабатываемая в ФИАНе, термоядерный синтез. Основные принципы осуществления управляемой реакции термоядерного синтеза как перспективного пути развития ядерной энергетики были выдвинуты в начале 50-х годов в теоретическом отделе под руководством И. Е. Тамма. В частности, было показано, что такая реакция может происходить в плазме, удерживаемой магнитным полем. Очень важными в развитии этого направления (которое получило название магнитного удержания плазмы) являются экспериментальные работы института в области физики высокотемпературной плазмы, в частности создание мощных плазменных установок. Так, в лаборатории физики плазмы в 1975 г. был запущен крупнейший в мире стелларатор Л-2. В 1961 г. Н. Г. Басов и О.Н. Крохин указали на возможность импульсного нагрева плазмы до сверхвысоких температур с помощью мощного лазерного излучения, что заложило основу другого научного направления в физике термоядерного синтеза - инерциального удержания плазмы.
Рис. 12. Внешний вид крупнейшего в мире стелларатора Л-2, запущенного в ФИАНе в 1975г.
Систематические исследования в этом направлении ФИАН начал в 1963 г. а в 1968 г. была осуществлена первая ядерная реакция под действием импульсного лазерного облучения. В настоящее время это направление считается одним из перспективных в решении проблемы управления ядерным синтезом и к нему подключается все больше советских и зарубежных исследователей. В ФИАНе строятся новые мощные лазерные установки, ведутся экспериментальные и теоретические исследования в области физики плазмы.
Рис. 13. Вакуумная камера с мишенью многоканальной лазерной термоядерной установки
Разумеется, и в настоящее время институт продолжает широкие исследования практически по всему фронту актуальных физических проблем. Успешно развиваются фундаментальные работы по физике микромира, по физике твердого тела, теории поля, теоретической астро- и биофизике, спектроскопии и люминесценции, сверхпроводимости, радио-, рентгеновской и инфракрасной астрономии. В частности, создание измерительно-регистрационного центра в Красной Пахре подняло обработку экспериментальных данных по физике элементарных частиц на современный уровень. В качестве одного из последних крупных успехов института укажем на открытие явления конденсации экситонов в полупроводниках, за которое сотрудники ФИАНа В. С. Багаев и Л. В. Келдыш совместно с Я. Е. Покровским (Институт радиотехники и электроники АН СССР) и французским физиком М. Воосом получили в 1975 г. премию Европейского физического общества.
Выдающиеся достижения ученых ФИАНа получили широкое признание в нашей стране и за рубежом. В 1967 г. институт был награжден орденом Ленина. Сейчас в нем работают пять Героев Социалистического Труда, 17 раз ученые института были удостоены Ленинской премии и 51 раз - Государственной премии СССР, пятеро из них стали также лауреатами Нобелевской премии. В разные годы сотрудниками института были такие крупнейшие советские физики, как академики Н. Н. Андреев, А. Л. Минц, И. Я. Померанчук, П. А. Ребиндер, член-корреспондент АН СССР Ф. Л. Шапиро. В настоящее время здесь работают десять академиков и три члена-корреспондента АН СССР, среди них А. И. Алиханьян, Ф. В. Бункин, М. А. Марков, Е. Л. Фейнберг, Е. С. Фрадкин и др. Школу ФИАНа прошли также многие известные ученые, ныне работающие в других институтах. Среди них академики Л.М. Бреховских, С. Н. Вернов, члены-корреспонденты АН СССР А. М. Балдин, Д. И. Блохинцев, В. И. Гольданский, Г. Т. Зацепин, В. В. Мигулин А. В. Ржанов, С. М. Рытов, А. Е. Чудаков.
По мере роста института некоторые его научные группы и лаборатории выделялись в самостоятельные научные учреждения или входили в состав вновь создаваемых институтов: Сейсмологический институт (ныне Институт физики Земли им. О. Ю. Шмидта АН СССР) - 1928 г., Коллоидно-электрохимический институт (ныне Институт физической химии АН СССР) - 1937 г., Научно-исследовательский институт ядерной физики МГУ - 1946 г., Акустический институт АН СССР - 1953 г., Лаборатория высоких энергий Объединенного института ядерных исследований (Дубна) - 1954 г., Институт спектроскопии АН СССР - 1968г., Институт ядерных исследований АН СССР - 1971 г. Однако все эти преобразования не нарушали единства и целостности ФИАНа, не затрагивали его основы и "точек роста", без которых жизнь и развитие института невозможны.
ФИАН представляет собой неиссякаемый источник квалифицированных научных кадров страны. И здесь особую роль играют исследования и разработки, проводимые ФИАНом совместно с учебными и промышленными институтами, периферийными научными центрами, академиями наук союзных республик и социалистических стран. В результате такой совместной работы одновременно с внедрением результатов научных исследований происходит и внедрение высокого научного потенциала ФИАНа, широкое распространение стиля и методов его работы.
Решающую роль в организации научных исследований в институте сыграло принятое в 1970 г. постановление ЦК КПСС "О работе парткома Физического института им. П. Н. Лебедева", широко обсуждавшееся всем коллективом института. В ходе этого обсуждения подчеркивалось, что сила института в единстве и многогранности его сложного научного организма, способного ставить и разрешать крупные проблемы фундаментальной физики, имеющие решающее значение для технического прогресса.
Комплексный, "полифизический" характер института, высокая квалификация и научная эрудиция его ведущих ученых, гармонично сочетающаяся с энергией и инициативой молодых сотрудников; подлинный научный демократизм, гарантирующий свободное обсуждение научных проблем независимо от специальности и положения сотрудника; своевременная и действенная поддержка руководителями идей, далеких от их собственных научных интересов, и в то же время борьба с распыленностью, "мелкотемьем", неэффективным вкладом сил и средств; органическое сочетание фундаментальных, и прикладных исследований; своевременная передача научных результатов в промышленные институты, научное руководство и сотрудничество с этими институтами по внедрению своих достижений в практику; высокое чувство ответственности всех сотрудников за развитие в стране данного направления; широкая научно-общественная, педагогическая, общественно-политическая деятельность фиановцев - все это составляет предмет гордости коллектива института, залог того, что Физический институт им. П. Н. Лебедева АН СССР и впредь будет способен на решение самых серьезных и актуальных задач, которые поставит перед ним движение современной физики, общественная практика, логика развития нашей страны на пути к коммунистическому будущему.
Авторы хотели бы выразить глубокую признательность очень многим сотрудникам ФИАНа, прочитавшим рукопись этой статьи и сделавшим ряд ценных замечаний. Без их участия статья не могла бы быть написана. Мы приносим также самые искренние извинения за, то, что мы не смогли упомянуть об очень многих замечательных ученых и выдающихся достижениях института. Приведенные в нашем коротком рассказе научные проблемы должны были лишь иллюстрировать те основные черты, которые характеризуют ФИАН как ведущее исследовательское учреждение страны. И, наконец, само собой разумеется, мнения и оценки, излагавшиеся в статье, лежат на ответственности ее авторов.