Вы здесь

Наиболее характерные особенности научного метода академика А. Ф. Иоффе

 

В. К. Рентген — ученый стиля предыдущего, «классического» столетия. Несмотря на то что он является автором одного из самых выдающихся открытий конца XIX в. (рентгеновских лучей), он по своему мировоззрению был очень консервативен. Осторожный в выводах, Рентген скептически относился к недостаточно, на его взгляд, проверенным фактам, к новым веяниям XX в. Так, например, около 10 лет он сомневался в реальности существования электрона, хотя к этому времени английский физик Дж. Дж. Томсон уже измерил его удельный заряд. В Физическом институте, руководимом Рентгеном, само употребление термина «электрон» считалось недопустимым легкомыслием. Однажды в разговоре со своим учеником Рентген спросил Иоффе, действительно ли он верит, что такая частица есть, и получил утвердительный ответ. Вопреки правилам, установившимся в институте, Абрам Федорович в течение двух лет ежедневно в разговорах с Рентгеном пользовался этим понятием, чтобы показать его проявление в самых разнообразных явлениях. И электрон получил права гражданства в Мюнхене.

В своей научной работе Рентген следовал заповеди Ньютона: гипотез не измышляю. Абрам Федорович, будучи учеником Рентгена, казалось, должен был перенять приемы работы своего учителя, идти по его стопам. Однако, вобрав все лучшее из традиций мюнхенской школы физиков, в выборе метода научного исследования Иоффе пошел своим путем.

Каковы же основные черты научного метода Иоффе?

1. Идейность эксперимента. Абрам Федорович считал, что любому эксперименту должно предшествовать более или менее ясно сформулированное представление об ожидаемом результате. Поэтому, прежде чем приступить к намеченному исследованию, Иоффе подробнейшим образом изучал всю научную литературу, касающуюся намеченной проблемы. Знакомился с опытами, проведенными где-либо по этому вопросу, сопоставляя полученные уже экспериментальные данные с выводами существующей теории. На основе большой, кропотливой подготовки ученый выдвигал предположения о возможных результатах нового исследования, т. е. составлял рабочую гипотезу, которая затем подвергалась тщательной опытной проверке.

2. Точность и простота эксперимента. В те времена, когда Иоффе начал работать, экспериментальная база была весьма ограниченной. Нередко приходилось пользоваться самодельными приборами либо брать их из студенческой лаборатории. Это обстоятельство выработало у Иоффе особый стиль работы: глубоко обдумав схему будущего опыта (несколько вариантов), Абрам Федорович старался достичь желанной цели относительно простыми экспериментальными средствами. В феврале 1927 г. Иоффе писал дочери о том, что ему очень часто удавалось упростить постановку опыта и тем самым добиться интересного результата. Действительно, Абрам Федорович был блестящим экспериментатором и очень строго относился к методике проведения эксперимента. Уважение к эксперименту и поразительную способность к точным измерениям ученый унаследовал от своего учителя.

3. Инженерное решение научной задачи. Одной из удивительных граней разностороннего таланта А. Ф. Иоффе была необычайная способность вскрывать ошибки в работах экспериментаторов. В этом отношении характерен такой пример. Будучи за границей, Абрам Федорович встретился с физиком Кохом, который показал ему свою научную работу. Посмотрев ее, Иоффе сразу обнаружил ошибку в эксперименте, на что и указал автору. «Этот случай еще раз убедил меня, — писал он жене, — что я не плох как экспериментатор». Однако Абрам Федорович умел не только вскрывать ошибки, но и устранять их с удивительной неожиданной изобретательностью.

Всем известна слава таких блестящих мастеров эксперимента, как Герц и Гайтлер, но им не удалось доказать, что около катодных лучей существует магнитное поле. Эта задача была успешно решена русским физиком Иоффе. «Проанализировав все произведенные опыты, я обнаружил допущенные в них ошибки и, устранив их, мог с достаточной точностью не только установить, но и измерить магнитное действие катодных лучей».

«Умей все делать сам» — таково было неписаное правило в Физико-техническом институте с первых дней его существования. Иоффе был убежден, что молодые сотрудники все исследования и подготовку к ним должны проводить своими руками.

Известный советский физик П. Л. Капица свою первую научную работу проводил под руководством Абрама Федоровича. Для ее выполнения были необходимы тонкие кварцевые нити. Где их взять? Сделать самому. И Капица наряду с выполнением научной работы решает хоть и небольшую, но инженерную задачу.

В узком темном коридоре на полу расстелили мягкое бархатное полотнище. Капица принес игрушечный лук и стрелу. Технологию отработали на месте. Конец стрелы опускали в расплавленный кварц, натягивали тетиву, и стрела, вытягивая тонкую нитку, летела по коридору, падала на бархат.

На собственных примерах Иоффе учил своих сотрудников делать то, чего не делал никто.

4. Широта охвата исследуемой проблемы. Через всю научную деятельность А. Ф. Иоффе красной нитью проходит одна главная тема — «Физика твердого тела». Ее можно разбить на следующие три подтемы:

1) механические свойства кристаллов;

2) электрические свойства диэлектриков;

3) полупроводники.

Какую бы из них ни взять, все они прежде всего поражают многоплановостью их исследований, проводимых как Иоффе, так и его сотрудниками. Заслуга в этом принадлежит, конечно, руководителю, для которого характерны необыкновенная эрудиция в вопросах физики, широта интересов, дальновидность и удивительная интуиция. «Не обладая даром предвидения, нельзя правильно организовать работу. В первых зачатках нового нужно видеть его будущее, оценить трудности и... наметить себе цель далеко вперед...» — писал Иоффе в статье «Мечта в науке».

5. Умение по-своему взглянуть на изучаемое физическое явление. Полупроводники — обширный класс материалов. В чистом виде в природе они практически не встречаются. Малейшая примесь, не превышающая даже миллионной доли процента, кардинально изменяет их электрические свойства. Именно поэтому техническое применение полупроводников считалось абсолютно безнадежным. Такого пессимистического взгляда Абрам Федорович совершенно не разделял. В непостоянстве полупроводниковых свойств он усмотрел обратное: необходимо научиться управлять ими, и мы сами будем создавать материалы с нужными нам свойствами. Поэтому одной из первых была поставлена задача: отработать методику получения чистых полупроводников и выявить влияние примесей на их электрические свойства.

Особенности научного метода академика А. Ф. Иоффе можно увидеть на примерах исследования им пьезоэлектрического эффекта и природы полупроводников.

Характер научного мышления будущего ученого ярко проявился в первой же серьезной исследовательской работе. Цель ее состояла в том, чтобы выяснить, какие причины вызывают пьезоэлектрический эффект: либо упругое напряжение, возникающее в кристалле под действием приложенной силы, либо смещение частиц, происходящее при деформации. В качестве средства исследования Рентген предложил взять упругое последействие, так как считал, что именно от него зависит пьезоэлектрический эффект.

Суть упругого последействия состоит в том, что тело, растягиваемое или изгибаемое, не сразу принимает окончательную форму, а лишь постепенно. Так же медленно после снятия нагрузки оно принимает свой прежний вид.

Взявшись за разрешение поставленной задачи, Абрам Федорович прежде всего заинтересовался природой упругого последействия, т. е. из средства сделал цель исследования.

Вопрос упругого последействия в физике твердого тела не нов. Им занимались многие видные ученые. Иоффе принял за основу предположение Максвелла, что последействие является результатом перестройки деформируемого неоднородного материала. Те явления, которые наблюдаются в кварце, — не последействие, а лишь результат вторичных явлений, каким может быть пьезоэлектрический эффект.

Известно, что на поверхности деформированного кристалла кварца появляются электрические заряды противоположных знаков. После снятия нагрузки вследствие плохой электропроводимости кварца заряды еще долго сохраняются. Возможно, что именно их взаимодействие вызывает запаздывание возвращения образца к первоначальной форме после прекращения действия силы?

Составив рабочую гипотезу на основании ясно продуманного физического представления, Абрам Федорович направляет все свои усилия на ее экспериментальное доказательство. Прежде всего необходимо найти способы для устранения пьезоэлектрического заряда с поверхности кварцевой пластины.

Устранив пьезоэлектрические заряды выбором ориентации образца или освещением его ультрафиолетовыми лучами, Иоффе показал, что истинное последействие в кристаллах кварца настолько мало, что не может быть обнаружено даже тонким интерференционным методом измерения деформаций, что подтвердило сделанные Иоффе предварительные умозаключения.

При выполнении данной работы хорошо прослеживается замечательная способность Иоффе вскрывать и устранять встречающиеся в эксперименте помехи.

Для измерения заряда, возникающего на поверхности испытуемого образца, Абрам Федорович воспользовался прибором П. Кюри. Основной частью прибора являлась тонкая пластинка пьезоэлектрического кварца. При подвешивании к ней груза на гранях ее появлялись противоположные заряды, пропорциональные нагрузке. Заряженный поверхностный слой был отделен от остальной части кварцевой пластинки тонкой изоляционной полоской. Иоффе обратил внимание на то, что сама изоляция несколько электризуется. Ее заряд, постепенно стекая, приводил к увеличению пьезоэлектричества на пластинке. Поэтому зависимость между приложенной силой и возникающим зарядом фиксировалась с ошибкой. Эффект последействия, если он существовал, не превышал возможных ошибок, вызванных изолирующей полоской. Чтобы избавиться от них, Иоффе предложил новый интерференционный метод для измерения изгиба кварцевой пластинки. Введение этого метода привело к значительному уменьшению последействия.

И снова ведутся упорные поиски возможных причин, способствующих возникновению этого явления. Острая наблюдательность позволила Иоффе заметить, что теперь последействие в основном вызывалось системой подвеса груза на сургуче. Сургуч был устранен, последействие сократилось, но все же не исчезло.

Далее путем термодинамических расчетов Абрам Федорович пришел к выводу, что последействие может быть результатом двух эффектов — теплового и пьезоэлектрического. Однако подсчет показал, что тепловые эффекты исчезают быстрее, чем последействие. Иоффе, проверяя второе предположение, доказал, что в монокристаллах упругое последействие стимулируется пьезоэлектрическим эффектом. Так была задача решена.

Умение обращать внимание на незначительные на первый взгляд зависимости и закономерности не раз приводило Абрама Федоровича к сенсационным открытиям, чего очень не любил Рентген.

Разрешая тему об упругом последействии, Иоффе обнаружил, что после снятия нагрузки с кристаллов кварца электрический заряд сохраняется. При устранении же внутреннего заряда деформация кварцевой пластинки росла до предельного значения. Иоффе решил ускорить ход процесса путем облучения.

Кратковременное облучение образца радием не влияло на ход последействия и только длительное изо дня в день облучение изменяло электропроводимость кварца, постепенно повышая ее.

Объяснялось это тем, что поток зарядов из объема кварцевой пластинки проходил через ее поверхность и зависел таким образом от условий на поверхности. Изменение поверхностных условий влияло на ход последействия.

Рентген, убедившись в правильности выводов своего ученика, провел целое исследование влияния внешней обработки на поверхностную проводимость изолятора (кварц — хороший изолятор). А Иоффе приступил к измерению электропроводимости кварца и исследованию влияния на нее различных видов облучения. Оказалось, что ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи, β-лучи, лучи радия, нагревание и охлаждение образцов — все изменяло силу тока в изоляторах. Рентген на это сообщение отреагировал так: «Я жду от вас серьезной научной работы, а не сенсационных открытий».

Однако это открытие и дальнейшие исследования упругого последействия стали классической темой в физике.

Интересен еще один факт из творческой биографии Абрама Федоровича. Приступив к изучению электропроводимости кристаллов каменной соли, Иоффе отметил, что ее электропроводимость изменяется при облучении рентгеновскими лучами. Но в этом изменении нет никакой определенности. Иногда проводимость снижалась, иногда возрастала в десятки и сотни раз, а иногда и вовсе пропадала. Начинающий исследователь не мог понять этого явления. Он тщательно проверил все контакты и установку, но воспроизводимости опытов все не было.

Однажды Иоффе заметил, что рост тока в каменной соли совпал с выходом солнца из-за облаков. Удивительное внимание ученого! Повторные опыты показали, что такой чувствительностью к солнечному свету обладают только пластинки, предварительно подвергнутые облучению рентгеновскими лучами. Загадка раскрылась, но самым неожиданным образом.

А. Ф. Иоффе вспоминает, что когда он пришел к Рентгену с результатами наблюдения, то был встречен ироническим вопросом: «Еще одно сенсационное открытие?» — «Да!» Ничего не разъясняя, провел Рентгена к прибору и показал, как опускание занавесок на окнах уничтожает ток, а солнечный свет увеличивает его в тысячу раз.

«Мало ли что может сделать солнце, а вот спичка?» Результат был тем же.

«Давайте займемся вместе этим исследованием!»

И до самой смерти Рентгена (почти 20 лет) эта область оставалась единственной его работой.

При получении любого задания Иоффе никогда не ограничивался лишь его выполнением. Он обязательно развивал выбранную тему, внимательно изучал встречающиеся побочные эффекты, что нередко приводило к ряду новых фундаментальных открытий. Так, решая задачу об упругом последействии, он вместе с тем открыл новое явление — внутренний фотоэффект в рентгенизированных кристаллах.

 

Добавить комментарий

Plain text

  • HTML-теги не обрабатываются и показываются как обычный текст
  • Адреса страниц и электронной почты автоматически преобразуются в ссылки.
  • Строки и параграфы переносятся автоматически.
CAPTCHA
Этот вопрос задается для того, чтобы выяснить, являетесь ли Вы человеком или представляете из себя автоматическую спам-рассылку.