Бродянский В.М. От твердой воды до жидкого гелия (история холода)

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.

Рис. 7.5. Лев Васильевич Шубников

В первой находилась группа, в которую входили Л. В. Шубников Л. Д. Ландау, во второй - П. Л. Капица, В 1926 г. де Хаас обратился к А. Ф. Иоффе с просьбой прислать ему в помощь молодого русского физика имеющего опыт получения особо чиcтых образцов металлов для низкотемпературных исследований. В результате появилось письмо А. Ф. Иоффе заведующему Главнаукой М. П. 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".

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

Л. В. 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 А. Ф. 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 П. 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).

П. Эренфест обладал широчайшим научным кругозором и хорошо понимал проблемы физики низких температур. В Лейденских семинарах П. Эренфеста участвовали такие деятели, как А. Эйнштейн, М. Планк, Н. Борн, Э. Шредингер, П. Дирак и другие - практически весь "цвет" физики того времени. В Лейден приезжали из Советского Союза А. Ф. Иоффе, И. Е. Тамм, Л. Ландау; посещал Лейден и работавший в то время в Кембридже П. Л. Капица. Лучшие условия для формирования молодых научных работников трудно себе представить. Здесь царствовала та атмосфера доброжелательства и увлечения наукой, о которой писал Ч. 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 оклаждения (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. О том, что дало на практике использование таких сверхпроводников, рассказывается в § 7.3.

Инженерные работы в ОСГО тоже развивались не менее интенсивно, чем у физиков, и в тесном контакте с ними. Л. В. 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 Л. 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 Л. Д. Ландау, перебрались в Москву, где к этому времени П. Л. Капица создал новый центр притяжения для тех, кто занимался криогеникой, - Институт физических проблем.

Следующая страница: Петр Леонидович Капица