2000 №3

Физика на пороге XXI века

Вице-президент РАН Ж. АЛФЕРОВ, директор Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе (г. Санкт-Петербург).

Работающему научному сотруднику чрезвычайно сложно, а скорее всего просто не под силу предсказать то, какой будет целая область науки в следующем столетии.

Это сподручнее сделать писателям-фантастам, и на замечательных романах Жюля Верна многие из нас выросли. Научный же работник обременен грузом реальных и конкретных знаний, которые не позволяют ему делать очень смелые предсказания. Хотя в свое время Альберт Эйнштейн разъяснил, как делаются крупные открытия. Он сказал, что подавляющее большинство людей знает, что это невозможно. Затем находится один человек, который не знает, вот он и делает открытие.

Поэтому большую часть своей лекции я посвящу тому, что произошло в физике за почти истекшее XX столетие, ну а в той области, в которой работаю сам, позволю себе некие экстраполяции.

Двадцатое столетие называют веком войн и социальных революций, что совершенно справедливо, и Россия здесь получила, как говорится, сполна, больше, чем многие другие страны. Но вместе с тем XX столетие называют еще и веком физики, и это тоже правильно. Но я бы назвал его веком квантовой физики, поскольку именно квантовая физика определила лицо уходящего века.

Недавно журнал «Тайм» провел опрос, кого из жителей планеты можно признать олицетворившим XX век, и титул человека столетия с подавляющим преимуществом получил Альберт Эйнштейн — основной создатель (если говорить об индивидуальностях) квантовой физики.

Но говоря о том, что наш век есть столетие квантовой физики, мы должны понимать, что произошло это отнюдь не случайно и что революционные изменения в естествознании формировались во второй половине XIX столетия и были связаны, как и всегда, с практической деятельностью человека. Вообще вся современная наука сравнительно молода: она насчитывает примерно лет триста, ибо основателями современного естествознания, современной физики можно считать Исаака Ньютона, Галелео Галилея и Рене Декарта. Они сформировали классическую механику и классическую физику.

В конце XIX столетия благодаря техническому прогрессу — и прежде всего распространению электрического освещения и развитию светотехники — возник кризис естествознания — потребовалось четко обосновать особенности спектров излучения нагретых тел. Из исследования этих особенностей и родилась, по большому счету, современная квантовая физика.

В 1900 году Макс Планк, твердо стоявший на позиции классической физики и не желавший от нее уходить, предложил для объяснения именно спектров излучения идею кванта.

Между прочим, я горжусь тем, что почти 50 лет своей жизни отдал работе в одном из самых замечательных научных учреждений Петербурга, России и мира — физико-техническом институте имени Абрама Федоровича Иоффе. А вот такое сочетание — физико-технический институт, насколько мне известно, впервые появилось в Германии в 80-е годы прошлого столетия, когда Вернер Сименс, создатель знаменитой одноименной фирмы, основал в Берлине институт, состоявший из двух отделов: физического и технического; физический занимался фундаментальными исследованиями, а технический — совершенствованием ламп накаливания. И вот в этом институте было очень много сделано для возникновения и обоснования квантовой теории.

Конечно, решающее слово было сказано Альбертом Эйнштейном, предложившим в 1905 году квантовое объяснение фотоэффекта. Именно за квантовую теорию фотоэффекта, а не за теорию относительности ему в 1922 году была присуждена Нобелевская премия по физике. Потому что эта работа А. Эйнштейна сыграла ключевую роль в формировании квантовой теории.

Дальше я должен был бы назвать целый ряд блестящих имен, которым мы обязаны не только формированием квантовой физики, но и современным пониманием физических явлений: Поль Дирак, Вернер Гейзенберг, Морис де Бройль, Нильс Бор, Лев Давидович Ландау и многие, многие другие. Назвав эти имена, я хочу подчеркнуть, что квантовая физика в ее золотое время — 1920-1930-е годы — сформировала не только современную физическую теорию, но и современное научное мировоззрение людей, занимающихся естественными науками.

Именно физические методы исследования, физический подход способствовали взлету и развитию как химии, так и биологии.

А сейчас я хотел бы остановиться на открытиях — сугубо экспериментальных, — основанных на квантовой теории, которые, с моей точки зрения, не только определили научно-технический прогресс во второй половине XX века, по-новому объяснив многие вещи в физике, но и привели к масштабным социальным изменениям и во многом предопределили современное развитие как передовых стран, так и практически всего населения земного шара.

И первым из этих трех открытий в физике я бы назвал открытие деления урана под воздействием нейтронного облучения, сделанное О. Ганом и ф. Штрассманом в 1938 году.

Вообще первые десятилетия XX столетия (подчеркиваю, в экспериментальном отношении) были отмечены прежде всего работами в области ядерной физики, исследованиями радиоактивности, созданием современной теории атомного ядра. Но открытие деления урана предвиделось, я бы даже сказал, ожидалось, причем значительно больше, чем происшедшее в 80-е годы открытие высокотемпературной сверхпроводимости, и было оценено практически сразу. У нас, в Ленинграде, его оценили два выдающихся советских физика, сыгравших огромную роль и в развитии фундаментальной физики, и в нашем атомном проекте: Яков Борисович Зельдович и Юлий Борисович Харитон, которые выполнили блестящую работу по расчету цепных реакций на основе деления урана.

Вы знаете, что в 1939 году венгерский физик Лео Сцилард, живший тогда в США, уговорил Альберта Эйнштейна подписать письмо к президенту Ф. Рузвельту, в котором высказывалось предостережение — нацисты могут первыми изготовить атомную бомбу. В связи с этим выражалась настойчивая просьба об ассигновании собственных атомных исследований. Спустя непродолжительное время такое решение было принято, и начался известный Манхеттенский проект.

У нас в стране одним из инициаторов советского атомного проекта стал Георгий Николаевич Флеров, аспирант Игоря Васильевича Курчатова в физико-техническом институте. В то время он был призван в армию, но при каждом удобном случае продолжал просматривать научные журналы. Обнаружив, что в них исчезли публикации, связанные с атомной тематикой (а это означало, что работы в этой области засекречены), он начал бомбардировать письмами высокое начальство, включая Сталина, доказывая необходимость развития советского атомного проекта.

Изучая рассекреченные и опубликованные материалы 1938–1943 годов, стенограммы заседании, выступлении, понимаешь, какие у нас были замечательные физики: Абрам Федорович Иоффе, Игорь Васильевич Курчатов, Сергей Иванович Вавилов. Особенно восхищают меня А. Ф. Иоффе и С. И. Вавилов, потому что они работали в других областях (как известно, А. ф. Иоффе — основоположник науки о полупроводниках, С. И. Вавилов — о люминесценции), и проблемы ядра были от них далеки. Но они прекрасно разбирались в этих вопросах!

Сегодня появилось много публикаций, утверждающих, что нашим ученым якобы ничего не нужно было делать — мол, все принесла разведка. Да, конечно, разведка сделала свое дело (и, прежде всего, по идеологическим соображениям, Клаус фукс). Но на самом деле никакая разведка не могла бы нам дать атомное оружие и решить атомную проблему. Атомное оружие было создано в СССР благодаря тому, что уже в 1920-1930-е годы у нас была своя, отечественная школа физиков, возникшая прежде всего благодаря А. Ф. Иоффе и так называемому «детскому саду папы Иоффе», который сформировался в физико-техническом институте. Начало было положено еще в 1919 году, когда Абрам Федорович вместе со Степаном Прокофьевичем Тимошенко основали физико-механический факультет Политехнического института. Это было совершенно новое для того времени образовательное учреждение, которое ставило своей целью подготовку физиков с пониманием инженерных проблем и подготовку инженеров с очень глубокой физико-математической базой. Именно вот этот «детский сад папы Иоффе», из которого вышла целая гвардия трижды Героев Социалистического Труда, десятки академиков, и решил в будущем для нашей страны и атомную, и полупроводниковую, и многие другие проблемы.

Рабочий стол Отто Гана. Немецкий музей, Мюнхен. На таком столе проводились первые опыты, по исследованию радиоактивных веществ.

Конечно, сегодня, особенно после чернобыльской катастрофы, много говорится об опасности использования атомной энергии. И в целом ряде стран предпринимаются меры для сокращения атомной энергетики. Хотя я не являюсь специалистом в этой области, но из моих бесед, чтения соответствующих работ и обсуждения данной проблемы на весьма представительном научном уровне я вынес убеждение, что в XXI веке атомная энергетика будет основным источником энергии не только в нашей стране, но и во всем мире. И прежде всего потому, что запасы горючих ископаемых кончаются. Современная же атомная энергетика экологически значительно безопаснее, чем угольные или даже мазутные электростанции. В области реакторной техники мы имеем очень хорошие наработки, и я уверен — так будет, потому что термоядерная энергетика еще довольно далека от своей реализации. Примечателен в этой связи такой случай. Когда руководителя английской термоядерной программы сэра Джона Кокрофта, лауреата Нобелевской премии, журналисты спросили, когда же можно ожидать промышленной реализации термоядерной энергетики, он ответил: «Через двадцать лет». Семь лет спустя на аналогичной конференции Кокрофту вновь был задан тот же вопрос, на который последовал прежний ответ: «Через двадцать лет». А когда удивленные журналисты воскликнули: «Но, позвольте, это же вы говорили и семь лет назад!», невозмутимо возразил: «Вы видите, я не меняю своей точки зрения».

Сегодня эта точка зрения изменилась. Полным ходом и при нашем участии осуществляется международный проект термоядерного реактора ИТЕР, однако начало промышленного использования термоядерной энергии относят к середине XXI столетия. То есть это будет не через двадцать, а через все пятьдесят лет. Поэтому надежды можно возлагать на атомную энергетику. Дай только Бог, чтобы ни в одной стране мира открытие О. Гана и ф. Штрассмана не пришлось употребить так, как это было сделано президентом США Г. Трумэном в 1945 году при бомбардировках Хиросимы и Нагасаки.

Второе крупнейшее открытие в физике XX столетия — это, безусловно, создание транзистора.

Оно было сделано в 1947 году тремя выдающимися американскими физиками — Джоном Бардиным, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли в лаборатории компании «Белл телефон». Открытие стало следствием бурного развития физики полупроводников, полупроводниковой технологии и прежде всего радиолокации в годы Второй мировой войны.

Джон Бардин — один из самых выдающихся физиков XX столетия прежде всего в области физики конденсированного состояния, единственный за историю физики дважды нобелевский лауреат по физике в одной и той же области науки. Первую премию он получил в 1956 году вместе с У. Браттейном и У. Шокли за открытие транзистора, а вторую — в 1972-м вместе с Л. Купером и Дж. Шриффером за теорию сверхпроводимости, впервые давшую полное объяснение этому загадочному явлению, открытому Гейке Камерлинг-Оннесом в 1911 году в Голландии.

Нильс Бор и Абрам Федорович Иоффе. Москва, 1934 год.

Семинар А. Ф. Иоффе, 1916 год. Сидят (слева направо): П. И. Лукирский, А. Ф. Иоффе, Н. Н. Семенов; стоят: Я. Г. Дорфман, Я. Р. Шмидт, К. Ф. Нестурх, Н. И. Добронравов, М. В. Кирпичева, Я. И. Френкель, А. П. Ющенко, И. К. Бобр и П. Л. Капица.

1947 год: Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн рассматривают в микроскоп свой первый транзистор (показан на снимке вверху).

Президиум Академии наук СССР присудил Джону Бардину свою высшую награду — медаль М. В. Ломоносова. И Джон Бардин, выступая на заключительном заседании Международной конференции по физике полупроводников в 1960 году, сказал: «Наука интернациональна, интернациональна физика, нет национальной физики. И физика полупроводников это доказывает очень ярко: она создана прежде всего Вильсоном и Моттом в Англии, Шоттки — в Германии, Иоффе и Френкелем — в СССР». 23 декабря 1947 года был продемонстрирован первый транзисторный усилитель, началась новая эра в электронике. А несколько позже появилась широчайшая научно-техническая область, приведшая к огромным социальным изменениям в мире.

Серийный исследовательский атомный реактор, сконструированный в производственном объединении «Атомэнергоэкспорт». 1980-е годы.

На то, что транзистор появился на свет в Соединенных Штатах Америки, были вполне определенные причины, но нельзя забывать и того, что большой вклад в это выдающееся открытие человечества внесен физиками нашей страны.

Работы эти, кстати, начались за много лет до войны, и для их развития многое дали работы Олега Васильевича Лосева, гениального изобретателя из нижегородской радиолаборатории, рано умершего. В числе прочих открытий Лосева было создание кристаллического усилителя «кристадин Лосева», но, как говорится, дорого яичко к Христову дню. Когда открытия делаются слишком рано и уровень техники и технологии не готов к этому, они обычно «не проходят» и о них забывают.

Но интересен, например, и такой факт. Вице-президент крупнейшей компании «Белл телефон» Мелвин Келли, формируя группу для проведения исследований в 1945 году в области физики твердого тела и разработки новых технических средств для радиолокации, сформулировал ее основную задачу как проверку квантовой теории для конденсированного состояния. Группа была необычайно сильной. В нее вошли те трое, кто затем получил Нобелевскую премию, а также выдающийся физик Джеральд Пирсон и многие очень квалифицированные инженеры-электрохимики, механики и лаборанты. Сотрудниками группы были открыты новые физические явления, ставшие основой полевого транзистора и так называемого биполярного транзистора.

В 1958 году была построена первая интегральная схема. Она представляла собой пластину из монокристалла кремния площадью несколько квадратных сантиметров, на которой были получены два транзистора и RC-цепочки транзисторов. Современный микропроцессор со стороной, скажем, 1,8 сантиметра имеет 8 миллионов транзисторов. Если размеры первых транзисторов исчислялись долями миллиметра, то сегодня фотолитографические методы позволяют получать размеры 0,35 микрона. Это современный технологический уровень. В самом ближайшем будущем ожидается переход на размеры 0,18 микрона и через 5–7 лет — на 0,1 микрона.

Но интересно другое. С одной стороны, можно говорить, что это огромный технический прогресс, а с другой — чисто физически там не появилось никаких новых явлении: тот же полевой и биполярный транзистор и те же эффекты, которые были открыты еще в конце 1940-х годов. Однако именно эта технология, именно эти физические открытия стали основой всей современной микроэлектроники, а современная микроэлектроника изменила мир.

Я приведу лишь очень простой пример. До начала XX века Соединенные Штаты Америки были сельскохозяйственной страной. Это означает, что из четырех основных групп работающего населения — занятых в промышленности, сельском хозяйстве, сфере обслуживания и в сфере информатики (куда относятся и бухгалтеры) — самая большая группа работающих — те, кто трудились в сельском хозяйстве. К середине века США становятся индустриальной страной, потому что самой многочисленной группой были работающие в промышленности. А примерно с 1955 года Соединенные Штаты — уже постиндустриальная страна, так как самой большой группой работающего населения оказываются те, кто занимается получением и использованием информации.

Но вот что примечательно: в 1970 году численность этой группы достигла 50 % работающего населения США, и с тех пор, за 30 лет, ее доля практически не изменилась. По-прежнему незначительно падает численность занятых в промышленности и сельском хозяйстве, растет число работающих в сфере обслуживания, однако в процентном к ним отношении число людей, занятых в информатике, остается прежним. И происходит это благодаря компьютерной революции.

Таким образом, открытие транзистора привело к изменению социальной структуры населения сначала развитых стран, а затем постепенно и всех остальных. Именно открытие транзистора дает нам право говорить о наступлении постиндустриального времени, времени информационного общества.

Ну и третье глобальное научное событие XX века, в чем-то примыкающее к созданию транзистора, — это открытие лазерно-мазерного принципа. И сделано оно было в 1954–1955 годах практически одновременно Чарльзом Таунсом в США и Николаем Геннадиевичем Басовым и Александром Михайловичем Прохоровым в физическом институте Академии наук СССР.

Если в рассказе о транзисторе я говорил лишь о вкладе, внесенном в его открытие советскими учеными школы «папы Иоффе», то честь открытия лазерно-мазерного принципа американские коллеги по праву разделяют с нашими великими соотечественниками. Об этом красноречиво говорит тот факт, что в 1964 году Нобелевскую премию по физике — а ее советским и российским ученым никогда не давали с легкостью — в силу неотвратимых обстоятельств на этот раз Таунс должен был разделить с Басовым и Прохоровым.

Первые ЭВМ, появившиеся в конце 1940-х годов, работали на радиолампах, которые сильно грелись и имели тенденцию неожиданно перегорать.

Молекулярный квантовый генератор (мазер). 1955 год. Музей истории Московского государственного инженерно-физического института (технического университета).

И. Е. Тамм, Ф. Дайсон, Р. Пайерлс и В. Л. Гинзбург на Международной конференции по физике элементарных частиц. Москва, 1956 год.

В Американской энциклопедии по поводу присуждения премии в 1964 году Н. Г. Басову и А. М. Прохорову были процитированы слова председателя Нобелевского комитета по физике. Он сказал, что научный мир был потрясен, узнав, что хорошо известный миру ученый Чарльз Таунс разделил Нобелевскую премию с двумя никому не известными русскими, которые с помощью своих примитивных средств сделали такое же открытие, как и на современном оборудовании Ч. Таунс. «Но, — сказал он в заключение, — работы, проведенные примитивными экспериментальными средствами, нужно поощрять ничуть не менее, чем открытия, которые производятся нажатием кнопки на современном дорогом оборудовании». Однако уважаемый председатель Нобелевского комитета ошибался, потому что экспериментальные средства в ведущих наших физических институтах — ФИАНе и физтехе — в те времена практически не отличались от аналогичных средств в западных, в том числе и американских, лабораториях.

Все знают, что лазерная техника быстро развивается и очень широко применяется. Она стала мощным техническим и технологическим средством в медицине, с ее помощью делаются сложнейшие, но ставшие уже вполне привычными операции, производятся сварка и резка материалов. Не секрет, что существует лазерное оружие, позволяющее сбивать спутники. Вместе с тем лазер сегодня — это могучее информационное средство, и в области информатики полупроводниковые лазеры играют огромную роль.

В 1970 году американцами были созданы первые волокна с малыми потерями, а в нашей, физтеховской, лаборатории в это время впервые в мире появились полупроводниковые лазеры, работающие в непрерывном режиме при комнатной температуре на основе так называемых полупроводниковых гетероструктур. Так возникла волоконно-оптическая связь. Потом полупроводниковые лазеры стали широко применяться в известных ныне всем лазерных проигрывателях, где иголочкой, снимающей информацию, служит крохотный полупроводниковый лазер.

Так что, с одной стороны, лазеры, лазерная технология, сама по себе физика создания лазера — это торжество квантовой теории. А с другой — это могучие технические средства, которые, я повторяю, в значительной степени определили и прогресс, и изменение социальной структуры общества.

Ну а что мы можем ожидать сейчас?

В ближайшие десятилетия, видимо, не приходится ждать нового всплеска в объяснении явлений неживой природы — а физика занимается именно этой областью.

Дело в том, что вряд ли возможна революционная ситуация, аналогичная той, которая вызвала появление блестящей плеяды выдающихся ученых, наших и зарубежных, создавших современную квантовую физику. Для этого, повторю, должен был бы возникнуть некий кризис ведущего научного направления, а сегодня мы пока не видим, происходит ли он в квантовой теории. По-видимому — не происходит.

В свое время один из выдающихся британских физиков Рудольф Пайерлс, один из активных участников и Манхеттенского проекта в США, и создания атомного оружия в Великобритании, много работавший и у нас в стране, в Ленинградском и Харьковском физтехах (до войны он довольно долго жил в Советском Союзе), говоря о золотой плеяде физиков 1920-х годов, сказал мне: «Да, это было особое время, когда люди, так сказать, «первого класса» делали в науке гениальные работы, а люди «второго сорта» — работы первоклассные». Конечно, в этом сказалась величайшая скромность одного из выдающихся физиков XX столетия, но вместе с тем его слова в чем-то отразили ситуацию, сложившуюся в эпоху золотого времени для физики.

Нильс Бор и Лев Давидович Ландау на «празднике Архимеда» в МГУ, 1961 год.

Академики Я. Б. Зельдович, Ю. Б. Харитон и Н. Н. Семенов.

Я как-то посмотрел, что было сделано в то время у нас, в относительно небольшом коллективе Физико-технического института, и был потрясен масштабом исполненного. И это в еще разоренной после гражданской войны стране!

В 1921 году Абрам Федорович Иоффе, Алексей Николаевич Крылов и Дмитрий Сергеевич Рождественский выехали в первый раз после революции за рубеж. Абрам Федорович взял с собой Петра Леонидовича Капицу, который был тогда в очень тяжелом состоянии (у него в 1919 году погибли жена и двое малолетних детей), и он поступил на работу к Э. Резерфорду. А сам Иоффе на выделенные на ту поездку бюджетные средства закупил 42 ящика современного оборудования для Физтеха и оформил подписку почти на 50 научных журналов. Дай Бог, чтоб можно было и теперь совершать столь эффективные поездки.

Конечно, в наше время, повторяю, подобной революционной ситуации нет. Но тем не менее интересные и важные изменения, наверное, произойдут. И прежде всего в физике так называемых полупроводниковых гетероструктур, монокристаллических структур, в которой имеет место переход к различным по химическому составу веществам. Сегодня уровень этой технологии достиг того состояния, когда мы действительно умеем «укладывать» атом к атому и создавать принципиально новые структуры. Можно сказать так: мы экспериментально делаем объекты, на которых можно проверять задачки для учебника квантовой механики, самым разным образом строя эти экспериментальные объекты.

Но не только это. Мы создаем системы с пониженной размерностью электронного газа, когда электроны ограничены либо в плоскости, либо в одном измерении, в проволоке, либо вообще являются нуль-мерными структурами, это так называемые квантовые точки, рукотворные, искусственные атомы. Их свойства мы можем менять так, как нам хочется. И вот из этой области, безусловно, вырастет совершенно новое поколение электронных компонент, которые кардинально изменят информационные системы и без того совершенные сегодня.

Квантовые точки, квантовые проволоки, квантово-размерная физика конденсированного состояния — здесь такое богатство новых физических явлений, новых физических идей, что, я надеюсь, через 10–20 лет про эту область можно будет сказать, что она не только изменила технические информационные системы, но и подарила нам массу новых физических явлений.

Возможно, это лишь очень слабые ростки, которые проявляются именно при исследовании полупроводниковых гетероструктур. Возможно и появление некоторых революционных идей. Мне думается, что открытие так называемого дробного квантового холл-эффекта Хорстом Л. Штормером, Дэниелем Цуи и Робертом Лохлином, за которое им в 1998 году была присуждена Нобелевская премия по физике, может стать предтечей новых революционных идей в физике конденсированного состояния (см. «Наука и жизнь» № 1, 1999 г. — Прим. ред). В сильных магнитных полях и очень низких температурах был открыт ряд явлений, которые удалось объяснить, только предположив, что у квантовой жидкости должен быть компонент, обладающий дробным зарядом. То, что появляются экспериментальные факты, которые требуют привлечения подобных, совершенно не тривиальных объяснений, уже говорит о том, что не все в порядке в «этом королевстве» и что-то новое и интересное здесь может произойти.

С известным сожалением можно сказать, что открытая Алексом Мюллером и Георгом Беднорцем в 1986 году высокотемпературная сверхпроводимость почти ничего не дала практике и даже в общем существенно не изменила наших представлений. Можно говорить о том, что великая программа управляемого термояда, давшая массу интересных вещей для физики плазмы, не нашла пока реального практического применения. Но, наверное, и в этих областях что-то произойдет. А вот что касается квантово-размерных объектов физики конденсированного состояния, квантовых проволок и квантовых точек, то здесь совершенно точно можно ожидать изменения фундаментальных физических представлений, а стало быть, и нового реального взрыва в науке.

Записала Н. ДОМРИНА.