ФИЗИКА НА ПОРОГЕ XXI ВЕКА
Вице-президент РАН Ж. АЛФЕРОВ, директор Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе (г. Санкт-Петербург)
Выступая на открытии конференции в Смольном с приветственным словом от имени Российской академии наук, ее вице-президент Ж. И. Алферов сказал, что, по его мнению, "будущее России определится не Богом и не верой в Бога, не верой в президента и его доброй волей, а научным потенциалом страны, развитием науки и образования". В этой связи помощь, которую американский меценат Дж. Сорос оказывал российской науке и образованию в трудное для них время, трудно переоценить. И дело тут не в сумме денег, потраченной за шесть лет существования программы ICCEP на те или иные гранты, а в том, что эти гранты выделялись не только (а точнее сказать, не столько даже) выдающимся ученым на проведение перспективных исследований, но в первую очередь преподавателям вузов, учителям общеобразовательных школ, лицеев, аспирантам, студентам - словом, тем, от кого зависит, чтобы не иссяк интерес к науке, чтобы "не прервалась связь времен". "И я надеюсь, - сказал в заключение Жорес Иванович Алферов, - что наша талантливая молодежь в XXI веке будет работать в подавляющем большинстве случаев в нашей стране".
Представляем вашему вниманию лекцию академика Ж. И. Алферова, члена редакционного совета журнала "Наука и жизнь", прочитанную в рамках Соросовской конференции в Петербурге. В ней дается обзор достижений физики - главной науки уходящего столетия, а также оцениваются ее перспективы в будущем веке.
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, Галилео 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 заседаний, выступлений, 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.
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.
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.
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 явлений: 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.
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.
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.
Читайте в любое время
