Становление советской криогеники: непростые судьбы Шубникова и Капицы

В отличие от других европейских стран, где низкотемпературная наука и техника имели давние традиции, в России со времен Ломоносова никто этими вопросами не занимался. Холодильная техника базировалась на импортном оборудовании, а производство отечественных машин в конце 19 – начале 20 века только зарождалось, и то по иностранным образцам. Что касается криогеники, то Попытка проф. Николая Алексеевича Умова развить это направление в Московском университете не привела к успеху.

Однако начиная с 20-х годов криогеника в Советском Союзе начала развиваться настолько быстро, что за несколько лет вышла на самые передовые рубежи и дала мировой науке таких «трех китов», как Лев Васильевич Шубников, Лев Давидович Ландау и Петр Леонидович Капица.

При этом сказалось одновременное и взаимосвязанное действие двух факторов. Первый из них – революция. При всех ее издержках, в значительной степени неизбежных, она дала мощный импульс направлениям науки, которые содействовали развитию производительных сил страны, и открыла перед ее деятелями новые возможности; с философами дело было хуже. Интересно отметить аналогию: Великая французская Революция тоже «дала ход» науке и научному образованию. Стоит вспомнить реорганизацию научных институтов и деятельность Монжа, Бертолле, Карно, Лагранжа, Лапласа.

Вместе с тем, разумеется, нельзя забывать и о таких событиях, как казнь Антуана Лавуазье, и особенно о словах, сказанных председателем трибунала во время суда над ним: «Революция не нуждается в химиках». Были и у нас подобные «революционные» деятели. Один из них, столь же дальновидный, как и его французский предшественник, сказал такую же фразу знаменитому авиаконструктору Сикорскому: «Революция не нуждается в самолетах». Сикорский, создатель первых в мире крупных самолетов, эмигрировал в США.

В противоборстве двух тенденций – недоверия и даже вражды к «буржуазной» научно-технической интеллигенции и противоположной – стремлении привлечь ее на свою сторону и дать развернуть свои возможности, победила вторая. Решающую роль здесь сыграл Ленин. Уже в январе 1918 г. он поручил Луначарскому начать переговоры с Академией наук. При этом он предупредил, что здесь нужен большой такт и осторожность. «Найдется у Вас какой-нибудь "смельчак", наскочит на Академию и перебьет там столько посуды, что потом с Вас придется строго взыскивать». При жизни Ленина и в 20-е годы это предупреждение действовало.

В проведении этой политики пришлось преодолеть сопротивление некоторых ответственных партийных работников, и это неуклонно делалось. С 1918 по 1923 г. была открыта и начала работу целая сеть новых научно-исследовательских институтов и лабораторий: Государственный оптический институт, Радиевый институт, Институт прикладной химии, Московская горная академия, Институт физико-химического анализа, Нижегородская радио-техническая лаборатория и Нижегородский университет, Физико-технический институт и др. Последний, руководимый Абрамом Федоровичем Иоффе, в дальнейшем и стал базой, обеспечившей развитие криогеники в нашей стране.

Вторым фактором, способствовавшим быстрому росту науки в Советской России, было международное научное сотрудничество. Со стороны правительства оно всячески поощрялось, как в форме широкого использования иностранной научной литературы, так и непосредственными личными контактами совместными работами. В июне 1921 г. по инициативе Ленина был организован комитет иностранной литературы (КОМИНОЛИТ) во главе с Отто Юльевичем Шмидтом, на который была возложена задача приобретения за границей литературы по всем отраслям знаний. В октябре этого же года Ленин писал в КОМИНОЛИТ, поставив задачу добиться, чтобы «в Москве, Петрограде и крупных городах Республики было сосредоточено в специальных библиотеках по экземпляру всех заграничных новейших научных (химия, физика, электротехника, медицина, статистика, экономика и проч.) журналов и книг 1913-1921 гг. и было 6ы налажено регулярное получение всех периодических изданий».

Возобновлялись и личные контакты, в том числе и путем командирования за границу научных работников и инженеров. Известные деятели науки Запада активно поддерживали эти начинания. Характерно, например, письмо Альберта Эйнштейна, помещенное в «Известиях» от 21 января 1921 г.: «От наших товарищей я узнал, что русские товарищи даже при настоящих условиях заняты усиленной научной работой. Я вполне убежден, что пойти навстречу русским коллегам - приятный и святой долг всех ученых, поставленных в более благоприятные условия, и что последними будет сделано все, что в их силах, дабы восстановить международную связь. Приветствую сердечно русских товарищей и обещаю сделать все от меня зависящее для налаживания и сохранения связи между здешними и русскими работниками науки».

Такие связи «русских и европейских Архимедов», по выражению Ленина, действительно стали быстро налаживаться. Об атмосфере, существовавшей в это время, Чарльз Сноу в известной книге «Две культуры» писал: «Мир науки 20-х годов был настолько близок к идеальному интернациональному обществу, насколько это возможно... Научная атмосфера 20-х годов была насыщена доброжелательностью и великодушием; люди, которые в нее окунались, невольно становились лучше».

Лев Васильевич Шубников

Одними из первых европейских научных коллективов, в которых начали работать молодые исследователи из Советской России, были знаменитая криогенная лаборатория Камерлинг-Оннеса в Лейдене и лаборатория Резерфорда в Кембриджском университете.

В первой находилась группа, в которую входили Лев Васильевич Шубников Лев Давидович Ландау, во второй – Петр Леонидович Капица, В 1926 г. де Хаас обратился к Абрама Федоровича Иоффе с просьбой прислать ему в помощь молодого русского физика имеющего опыт получения особо чистых образцов металлов для низкотемпературных исследований. В результате появилось письмо Иоффе заведующему Главнаукой Михаилу Петровичу Кристи. Приведем отрывки из этого письма: «Очень прошу Вашей помощи в деле освобождения от воинской повинности ст. ассистента ГФТИ Льва Васильевича Шубникова... Я предполагаю командировать... в лабораторию Камерлинг-Оннеса. Тов. Л. В. Шубников приглашается проф. де Хаасом... По возвращению оттуда Л. В. Шубников должен устраивать криогенику у нас в институте».

Лев Васильевич Шубников

Это ходатайство было удовлетворено и имело впоследствии результаты, даже превзошедшие надежды Иоффе, Шубников не только организовал «устроение криогеники», но и создал первый советский крупный центр и на его базе школы криогеники мирового уровня.

Лев Васильевич Шубников родился в Петербурге в 1901 г. Осенью 1918 г. он поступил на впервые открытое математическое отделение физико-математического факультета Петроградского университета. Поскольку он был единственным студентом этого отделения набора 1918 г., ему приходилось для слушания лекций присоединяться к студентам других отделений. В 1922 г. он перешел в Политехнический институт; одновременно с учебой работал лаборантом и принимал активное участие в научных исследованиях. В частности, он хорошо овладел методикой получения особо чистых металлов. К моменту окончания института он уже был подготовлен для самостоятельной работы. Именно поэтому Иоффе рекомендовал его для командирования в Лейден.

В лаборатории Камерлинг-Оннеса Шубников, а затем еще группа молодых советских исследователей, прибывшая вслед за ним (в Лейдене тогда была большая группа стажеров из Советского Союза), быстро освоились и включились в работу. Большую помощь им оказал замечательный физик Пауль Эренфест, работавший в то время в Лейденском университете. До этого он провел несколько лет в России в качестве преподавателя Политехнического института (1907 - 1912 гг.), где его называли даже Павлом Сигизмундовичем. Он знал русский язык. (Его жена Т. А. Афанасьева-Эренфест – тоже известный физик).

Эренфест обладал широчайшим научным кругозором и хорошо понимал проблемы физики низких температур. В Лейденских семинарах Эренфеста участвовали такие деятели, как Эйнштейн, Планк, Борн, Шредингер, Дирак и другие – практически весь «цвет» физики того времени. В Лейден приезжали из Советского Союза Иоффе, Тамм, Ландау; посещал Лейден и работавший в то время в Кембридже Капица. Лучшие условия для формирования молодых научных работников трудно себе представить. Здесь царствовала та атмосфера доброжелательства и увлечения наукой, о которой писал Чарльз Сноу. Заслуги Эренфеста перед русской наукой были отмечены: в 1924 г. он был избран иностранным членом АН СССР. Первой работой Шубникова в лаборатории Камерлинг-Оннеса было исследование электросопротивления висмута в магнитном поле, в результате которого был установлен «эффект Шубникова – де Хааса». За этой работой последовал и ряд других.

В Лейдене Шубников стал первоклассным криофизиком мирового уровня. В 1929 г. он вернулся на родину, поселился в Харькове и приступил к работе в организованном на несколько месяцев раньше УФТИ. По мысли Иоффе, уже здесь, в Харькове, а не в Ленинграде нужно было создать криогенную лабораторию. После ряда организационных неполадок этот вопрос был решен, и в 1931 г. руководителем этой лаборатории был назначен Шубников. Его мечтой было создать современную базу для собственной криогеники и организовать творческий коллектив, способный вывести ее на международный уровень. И он взялся за ее реализацию, делая буквально чудеса. Начинать нужно было с собственной базы для получения ожиженных газов – без них никакая экспериментальная работа не могла проводиться. В то время взять жидкий водород или гелий было негде.

Уже в 1931 г. был запущен крупный по тому времени водородный ожижитель УФТИ производительностью 12 л/ч. В 1932 г. был введен в строй небольшой гелиевый ожижитель Симона, а в 1935 г. большой – Мейснера, дававший 1,5 л/ч. Было также налажено производство металлических сосудов Дьюара и вакуумной аппаратуры.

Сделать все это за столь короткий срок практически на пустом месте было бы невозможно, если бы не помощь как «изнутри», так и «извне». Первая оказывалась в основном Орджоникидзе, продвигавшим по «зеленой улице» заказы лаборатории, вторая - друзьями из Лейдена – де Хаасом, Кеезомом и другими, которые бескорыстно, без всякой оплаты присылали и привозили сами материалы, приборы и другое оборудование.

В лаборатории наряду с молодыми советскими специалистами (в том числе и теми, которые прошли школу Лейдена) работали и зарубежные, в частности бежавшие из Германии от гитлеровцев. Работы шли в двух направлениях: физика конденсированного состояния (т.е. свойства жидких и твердых тел) при низких температурах и криогенная техника - промышленное ожижение газов и разделение газовых смесей (воздуха для получения азота и кислорода, природного газа для получения гелия и др.). Второе направление развивалось в специальной промышленной лаборатории – Опытной станции глубокого охлаждения (ОСГО), созданной в 1935 г.

Летом того же года Шубников стал заведующим кафедрой физики твердого тела в Харьковском университете (здесь он организовал первый в стране криогенный студенческий практикум). В это же время его друг Ландау стал заведующим кафедрой общей физики. (Их часто видели вместе и, чтобы проще различать, прозвали: «Лев толстый» – Шубников и «Лев тонкий» – Ландау.)

К этому времени Харьковская школа криогеники уже выдала ряд работ международного класса и, догнав своих учителей, стала в один ряд с ведущими мировыми криоцентрами. Также как и в Лейдене, проводились научные семинары с привлечением как советских, так и иностранных участников. Активно работал в них и "Лев тонкий" - Ландау.

Были продолжены работы, связанные с «эффектом Шубникова – де Хааса»; Шубников и Рябинин изучали проникновение магнитного поля в сверхпроводники; был независимо от Мейснера (на несколько месяцев позже) установлен эффект в сверхпроводниках, получивший в дальнейшем название «эффекта Мейснера». В 1936 г. была открыта так называемая «фаза Шубникова» в сверхпроводниках. Эти работы, наряду с проводившимися в зарубежных лабораториях, подготовили базу для нового рынка в теории и практике сверхпроводимости в 40-е и последующие годы.

Работы Мейснера, Шубникова и других показали, что взаимодействие магнитного поля со сверхпроводником - явление сложное. Поле проникает в сверхпроводник не сразу, оно «выталкивается» из сверхпроводника, задерживаясь на небольшой глубине. Только достигнув определенного значения, оно прорывается внутрь и разрушает сверхпроводимость. В дальнейшем оказалось, что в некоторых сплавах, в отличие от чистых металлов, сопротивление этому проникновению очень велико, и они (так называемые «сверхпроводники II рода») могут выдерживать большие токи и создавать мощные магнитные поля без разрушения сверхпроводимости при температурах до 20-24K. Мечта Камерлинг-Оннеса все же, вопреки прогнозам скептиков, реализовалась, но это было уже намного позже, в 50-е годы.

Инженерные работы в ОСГО тоже развивались не менее интенсивно, чем у физиков, и в тесном контакте с ними. Шубников успевал заниматься и инженерными вопросами. Особенно продвинулись работы со сжиженными газами. В 1936 г., намного опережая развитие техники своего времени, сотрудники ОСГО успешно применили жидкий метан в качестве горючего для двигателей внутреннего сгорания. В 1937 г. были доведены до практического применения устройства для резки и сварки металлов на базе жидкого кислорода и на той же базе - системы для обеспечения дыхания экипажей высотных самолетов при длительных полетах. В рекордных полетах экипажей Громова и Гризодубовой эти системы прошли успешную практическую проверку. Были намечены и новые работы, нацеленные на будущее, – исследования сверхпроводников, жидкого гелия, установок разделения газовых смесей и др.

Наступали, однако, другие времена. Верх взяли тенденции тех самых «смельчаков» – специалистов по «битью посуды», от которых предостерегал в свое время Ленин. Они, по существу, преследуя интеллигенцию, исходили из лозунга «Революция не нуждается в химиках», хотя и провозглашали вслух борьбу в защиту науки от буржуазного влияния, вредительства и шпионажа. Началось это в конце 20-х годов и в середине 30-х годов докатилось до УФТИ и Харьковского университета.

В 1936 г. Шубников получил персональное приглашение на VII Международный конгресс холода в Гаагу, но выезд туда не разрешили. В этом же году в Союз не смогли приехать из Лейдена В. де Хаас и Э. Вирсма, которые везли очередные научные новости и подарки для лаборатории. В конце 1936 г. из Харьковского университета уволили Льва Ландау. Последним светлым эпизодом в жизни Шубникова была выездная сессия физической группы АН СССР в Харькове, которая дала очень высокую оценку работам криогенной лаборатории УФТИ и ОСГО. После этого Шубников вместе с Ландау уехали в отпуск. 6 августа, после возвращения, Шубников был арестован и осужден «на 10 лет без права переписки» (расстрелян 8 ноября 1937 г.; в 1957 г. посмертно реабилитирован).

Немного спустя подверглись аресту и несколько других ведущих сотрудников; работа лаборатории была практически сорвана. Только к 1940-1941 гг. удалось понемногу наладить работу, но тут началась война…

Уцелевшие криогенщики – ученики и сотрудники Шубникова, продолжали работу в различных научных организациях и на производстве. Многие из них во время и после войны стали ведущими специалистами, распространяя опыт и традиции «харьковской школы». Несколько человек, во главе с Ландау, перебрались в Москву, где к этому времени Капица создал новый центр притяжения для тех, кто занимался криогеникой, – Институт физических проблем.

Петр Леонидович Капица

Петр Леонидович Капица родился в Петербурге в 1894 г. и прошел (но несколько раньше) ту же школу, что и Шубников, – Петроградский политехнический институт.

В 1921 г. Иоффе включает Капицу (который в это время был уже доцентом) в комиссию Академии наук, которая направляется в Европу для восстановления научных связей, а также закупки научного оборудования и литературы. В Кембрижде Иоффе обращается к самому Резерфорду - физику с мировой славой – с просьбой принять Капицу на стажировку в знаменитую Кавендишскую лабораторию (Она названа в честь великого Кавендиша. После некоторых колебаний, связанных с опасениями, что новый сотрудник внесет «большевистский дух» в респектабельный Кембридж. Резерфорд все же согласился взять Капицу в свою лабораторию и впоследствии не жалел об этом. Капица проработал в Кембрижде 13 лет – намного больше, чем Шубников в Лейдене, и успел сделать за это время очень многое. Начал работу он, по собственному выражению, «с остервенением».

Работы Капицы велись в двух основных направлениях: первое – создание и использование сильных магнитных полей, второе – криогенная техника. Прежде чем рассказать о его достижениях по непосредственно относящемуся к криогенике, уделим некоторое внимание тому, как развивалась карьера Капицы в Кембридже.

1923 г. Получил стипендию имени Максвелла. Защитил диссертацию на степень доктора философии Кембриджского университета.

1925 г. Назначен заместителем директора Кавендишской лаборатории по магнитным исследованиям. Избран членом Тринити-колледжа.

1926 г. Торжественное открытие Магнитной лаборатории П. Л. Капицы при Кавендишской лаборатории. В церемонии принял участие тогдашний канцлер Кембриджского университета, бывший премьер лорд Бальфур.

1929 г. Избран действительным членом Лондонского Королевского общества. В этом же году и АН СССР избирает П. Л. Капицу членом-корреспондентом.

1930.г. Назначен профессором-исследователем Лондонского Королевского общества и директором новой Мондовской лаборатории, созданной специально для работ Капицы в области сильных магнитных полей и низких температур. Средства для этого выделило Королевское общество. (Людвиг Монд - химик и промышленник, завещавший Королевскому обществу большую сумму на развитие науки. Из нее и были взяты 15 тыс. фунтов стерлингов для строительства лаборатории.)

На торжественной церемонии Мондовскую лабораторию «принимал» канцлер Кембриджского университета Стэнли Болдуин трижды премьер-министр – в 1923, 1924-1929 и 1935-1937 гг. В своей речи, которая может служить образцом того, как государственный деятель должен относиться к науке и к тем, кто ее создает, он сказал: «Это событие чрезвычайной важности. В наше время положение стран зависит не только от ее вооруженных сил и развития ее промышленности, но и от ее завоеваний науки. Мы счастливы, что у нас директором лаборатории работает проф. Капица, так блестяще сочетающий в своем лице и физика и инженера. Открытие этой лаборатории является предзнаменованием того, что Англия сможет снова занять ранее принадлежавшую ей ведущую роль в этой важнейшей области научных исследований».

Вся Англия и ее доминионы узнали из печати все подробности церемонии открытия по статьям и фотографиям. Советским читателям об этом событии рассказал журнал «Огонек».

Не следует думать, что за всеми этими событиями Капица забывал о своей стране. Он помогал советским научным работникам получать стипендии и проходить стажировку в ведущих научных центрах Европы, в том числе в Кавендишской лаборатории, и поддерживал связи с советскими научными учреждениями.

В августе 1934 г., как и раньше, Капица поехал на родину, чтобы повидать близких и друзей и посетить УФТИ и его криогенную лабораторию, консультантом которых он был с 1929 г. В начале сентября он участвовал в Ленинграде в Международном конгрессе, посвященном 100-летию со дня рождения Д. И. Менделеева. А в конце сентября он узнал, что в Англию его больше не пустят... Вся годами налаженная работа обрывалась. Мондовская лаборатория оставалась без директора, а Капица – без лаборатории. Сделать что-либо, чтобы изменить это решение, продиктованное «сверху», было абсолютно невозможно.

Петр Леонидович оказался в очень тяжелом положении, на гране нервного срыва. Он намеревался осенью, после возвращения в Кембридж, приступить к серии опытов по исследованию жидкого гелия. Весной этого года был пущен созданный под его руководством новый ожижитель гелия, и все, что было нужно для работы, было подготовлено. Сначала он пытался передать в письмах советы и указания своим помощникам, но понял, что это руководство на расстоянии бесперспективно.

В конце концов, при содействии Академии наук и ряда академиков, в том числе Павлова, и с помощью усилий самого Капицы было принято решение создать в Советском Союзе институт, в котором он мог бы продолжить и развить свои работы. Большую помощь в этом деле оказал Межлаук, который был в это время заместителем председателя Совнаркома СССР и председателем Госплана. В круг его обязанностей входило и курирование науки.

В декабре 1934 г. состоялось решение Совнаркома СССР о строительстве в Москве Института физических проблем. Поддержал Капицу и Резерфорд, согласившийся продать в Советский Союз часть оборудования Мондовской лаборатории, чтобы дать возможность начать работы в ИФП как можно раньше. Эту жертву мог принести только человек, который, по выражению Капицы, был ему «как отец родной».

При такой поддержке, несмотря на все препятствия, ИФП был построен в небывало короткий срок, к декабрю 1935 года. К числу препятствий, которые пришлось преодолевать Капице в это время (и в дальнейшем), относилась борьба с самыми разнообразными проявлениями бюрократии, в частности с почтением к внешней форме. При этом даже научный авторитет и чувство юмора не всегда помогали (а второе иногда и мешало). Приведем отрывки из писем Капицы жене, где он касается этой темы.

«То, что в Англии решается одним телефонным звонком, здесь требует сотни бумаг. Тебе на слово ничему не верят, верят только бумаге, недаром она дефицитна. Бюрократия душит всех. Душит она и Валерия Ивановича [Межлаука], который часто сам бессилен; его распоряжения разбиваются и изничтожаются в бумажных потоках». «...Тут люди веселости не любят. Я уверен, что они были бы в восторге, если 6ы я отпустил себе бороду, мычал важные слова и величаво поглядывал бы направо и налево. Одним словом, выглядел бы, как мудрец, философ и ученый так, как их принято представлять в театре...». «...Разыгрывают из себя жрецов, вроде того, который поет так свирепо и важно, как в "Аиде". И никто бы не огорчился, если бы Академия наук была бы превращена в храм, а мы – в священников. Но вот я-то "попом" как раз быть и не могу по натуре, у меня все против этого. И я еще не так им наозорничаю, чтобы они бросили этот мистический подход к ученым. Наука должна быть веселая, увлекательная и простая. Таковыми же должны быть ученые»,

— писал Капица жене.

Капице и его новым помощникам пришлось преодолеть еще много трудностей самого различного характера – и организационных, и снабженческих, и финансовых. Но в конце концов ему удалось отстоять такую «безбюрократическую» структуру института, которая давала возможности работать «весело, увлекательно и просто». Была сформирована основная группа научных сотрудников и опытных мастеров. С марта 1937 г. в институте начал работать Лев Давидович Ландау. И первой задачей, которой занялись в институте, было изучение свойств жидкого гелия. К началу 1937 г. ожижитель гелия был запущен и заработал. Можно было начинать путешествие хотя и не в новую (исследователи там уже побывали), но все же полную загадок область, расположенную ниже 3K.

Продолжение следует …