К 70-летию Победы «Чердак» рассказывает о научных открытиях, сделанных в войну
«Одним из многих просчетов, обусловивших провал фашистского похода на Советский Союз, была недооценка советской науки», — говорил академик Сергей Вавилов, ставший в 1945 году президентом АН СССР. «Чердак» вспоминает о достижениях советской науки в военное время, которые внесли существенный вклад в мировую науку и помогли нашей стране победить.
Самолеты и математическая теория вибрации: флаттер и шимми
За загадочными словами «флаттер» и «шимми» стоят серьезные проблемы, которые испытывала мировая авиация в бурный период своего расцвета. В середине 30-х годов при переходе на более высокие скорости самолеты разрушались от быстро нарастающей тряски. С этим явлением, получившим название «флаттер» (от англ. flutter — дрожание, вибрация), результатом игры сил аэродинамики и резонанса, безуспешно пытались справиться конструкторы во всем мире — самолеты продолжали разваливаться. Проблему удалось решить известному ученому Мстиславу Келдышу (впоследствии — одному из отцов советской космической программы) с сотрудниками в ЦАГИ, которые начали исследования еще в предвоенные годы. С помощью математических расчетов Келдыш сформулировал причины флаттера, предложил метод расчета критической скорости и доступные практические приемы для гашения катастрофической вибрации на разных скоростях у самолетов того времени. Нельзя забывать о том, что в то время ученые были вооружены только логарифмической линейкой и арифмометром, и при решении проблемы флаттера Келдыш проявил не только гений математика, но и незаурядные инженерные способности экспериментатора.
В годы войны ученый работал на авиационных заводах и как руководитель отдела ЦАГИ курировал проблему вибраций в самолетостроении. За эти работы ученому была присуждена (совместно с Е.П. Гроссманом) первая Сталинская премия (1942 г.), а спустя год — первый орден Трудового Красного Знамени.
Справились с флаттером, но предстояло еще разобраться с шимми (от англ. shimmy — танец, вибрация) — интенсивным самовозбуждающимся колебанием передней стойки шасси, приводящим к поломке во время взлета и посадки самолета. И в этот раз за короткий срок Келдыш справляется с проблемой. В своей работе «Шимми переднего колеса трехколесного шасси» (1945 г.), которая была удостоена второй Сталинской премии (1946 г.), он предлагает и теоретическое решение, и инженерные рекомендации. Он изучил упругие деформации пневматика и разработал теорию качения по плоскости колеса с деформирующимся пневматиком. С учетом этого вывел уравнение шимми, вращения стойки и ее изгиба. По уравнениям Келдыша можно было рассчитать не только скорость, при которой возникает шимми, но и подобрать параметры для его предотвращения.
До сих пор математики называют эту работу «красивой». Значимость этих работ Келдыша для авиации ничуть не меньше, чем для развития аэродинамики и математики в целом. Более того, они привели его позже к разработке знаменитой теории несамосопряженных операторов из раздела функционального анализа («О полноте собственных функций некоторых классов несамосопряженных операторов»).
Синхрофазотрон и принцип автофазировки
Сотрудник ФИАН (Физический институт АН СССР) Владимир Векслер в довоенное время изучал космические лучи, охотясь за ними в экспедициях на Памире и Кавказе. Во время эвакуации института в Казань Векслер работал над обработкой сигналов в акустике и радиолокации, но уже в 1943 году вернулся к фундаментальным исследованиям. Мысли о создании ускорителей заряженных частиц для получения «собственных космических лучей» привели ученого к открытию, без которого сегодня немыслима ускорительная техника. В 1944 году Векслер предложил, а его сотрудник Е. Фейнберг теоретически обосновал так называемый «принцип автофазировки» ускоренных релятивистских заряженных частиц, сделавший возможным создание современных ускорителей высокой энергии (Новый метод ускорения релятивистских частиц // Докл. АН СССР. 1944. Т. 43 (8). С. 346–348. О новом методе ускорения релятивистских частиц // Докл. АН СССР. 1944. Т. 44 (9). С. 393–396.)
Принцип автофазировки или фазовой устойчивости Векслера помог решить проблему сохранения устойчивости движения ускоряемых частиц при релятивистском увеличении их массы, что приводило к нарушению резонанса между движением частицы и ускоряющим полем. Частицы стали запускать в длинную свернутую в кольцо трубу, а для удержания их на постоянной орбите синхронно с ростом энергии увеличивали магнитное поле. Ускорители такого типа получили название синхрофазотронов. В ФИАНе и в Дубне началось строительство новых ускорителей, и сегодня принцип автофазировки используется во всех современных ускорителях. Построенный и запущенный в 1957 году в Дубне синхрофазотрон несколько лет был единственным ускорителем в мире, дающим возможность получать протоны с энергией 10 ГэВ. Переворот в физике атомного ядра и в физике элементарных частиц, открытие новых частиц, проверка фундаментальных законов и теорий, новые знания о микромире — все это стало возможным благодаря открытому Векслером принципу. Годом позже американский ученый Эдвин Макмиллан сделал это открытие независимо, за что получил Нобелевскую премию, но признавал приоритет Векслера (оба ученых получили американскую премию «Атом для мира» в 1963 году).
Завойский и электронный парамагнитный резонанс
Еще один знаменитый ученый, фундаментальное открытие которого дало толок бурному развитию разных наук и положивший начало новой области физики — магнитной радиоспектроскопии, — Евгений Завойский из Казанского университета.
Еще в начале 1941 года ученый на простенькой установке занимался поиском ядерного магнитного резонанса, но с началом войны переключился на оборонную тематику. В конце 1943 года он получает возможность вернуться к фундаментальным исследованием и открывает явление электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Если коротко, то суть этого явления в резонансном поглощении электромагнитного излучения неспаренными электронами, когда спектр ЭПР позволяет получать данные о веществе.
В 1944 году Завойский выступает на семинаре у Петра Капицы и публикует свои исследования (Новый метод исследования парамагнитной абсорбции, «ЖЭТФ», 1944, вып. 10—11 совместно с С.А. Альтшуллером и Б.М. Козыревым, Парамагнитная абсорбция в растворах при параллельных нолях, там же, 1945, вып. 6, Парамагнитная релаксация в жидких растворах при перпендикулярных полях там же, 1945, вып. 7).
Открытие Завойского, получившее Ленинскую премию в 1957 году, одно из важнейших в физике прошлого века, привело позднее к созданию лазеров и мазеров, а также приблизило открытие близких явлений — ядерного, ферромагнитного, антиферромагнитного и акустического парамагнитного резонанса. В промышленно развитых государствах возникли целые индустрии, выпускающие радиоспектроскопическое оборудование, некоторые приложения которых широко известны: медицинские томографы, квантовые парамагнитные усилители для дальней (космической связи).
Кометы и телескопы
Своих исследований не прерывали и астрономы. С одной стороны, это имевшие оборонное значение работы: для штурманской службы бомбардировочной авиации сотрудники ГАИШ МГУ составляли специальные таблицы восхода и захода Солнца и Луны; для предсказания «радиопогоды» и обеспечения армейской радиосвязи создали специальную Службу Солнца, а также Службу времени. С другой стороны, продолжались фундаментальные исследования. Так, сотрудники ГАИШ во главе с В.Г. Фесенковым выехали в Алма-Ату, где открыли филиал и наблюдали полное солнечное затмение. А профессор С.В. Орлов, директор ГАИШ с 1943 по 1952 год, разработал новую теорию строения головы комет, изучил вопросы изменения яркости кометы в зависимости от ее расстояния от Солнца и причины отталкивательных ускорений Солнца в хвостах комет. Работа Орлова, позволившая провести строгую классификацию кометных форм, была удостоена Государственной премии СССР (1943 г.).
В военное время была изобретена менисковая система телескопов, которая сыграла огромную роль в оптическом приборостроении. Автор изобретения, Дмитрий Максутов, рассказывал, что эта идея ему пришла в голову буквально в дороге, во время эвакуации, когда ГОИ (Государственный оптический институт) перемещался из Ленинграда в Йошкар-Олу. Благодаря своим преимуществам: светосиле, большому полю зрения, высокому качеству изображения и компактности — менисковая система получила широкое распространение.
Несмотря на то, что в военные годы лаборатория астрономической оптики ГОИ почти прекратила своё существование, оборудование было передано мастерским для армии или разрушено, для Максутова это было время творческого взлёта. С помощью логарифмических таблиц и линеек он за год самостоятельно произвел точные тригонометрические расчеты более двухсот менисковых систем различного назначения: от менисковых очков малого увеличения до менискового планетного телескопа метрового диаметра. К 1944 таких расчётов было сделано более полутысячи, и в 124-м выпуске «Трудов» ГОИ выходит его работа «Новые катадиоптрические менисковые системы». Западный научный мир узнал об изобретении из статьи в JOSA (Maxutov D. D. New catadioptric meniscus systems // J. Opt. Soc. America. — 1944 Vol.34, No5 pp. 270-284), а в 1946 году ему присуждается Государственная премия I-й степени «За создание новых типов оптических систем».
Карбинольный клей Назарова
Отремонтировать бензобаки, склеить корпуса аккумуляторов, отреставрировать сверла, починить блоки цилиндров на танках и автомашинах — все это можно было сделать с помощью чудесного раствора, карбинольного клея Назарова.
Прямо перед войной в Институте органической химии АН СССР Иван Назаров защищает диссертацию, в которой показывает, что винилацетилен при конденсации с кетонами образует винилэтинилкарбинолы, которые легко полимеризуются. Продукт частичной полимеризации ученый предложил использовать в качестве клеящего средства — карбинольного клея (диметилвинилэтинилкарбинола). Во время войны клей творил чудеса: с его помощью удавалось в полевых условиях склеивать боевую технику, и в 1942 году Назаров получает Государственную премию за разработку нового метода.
Клей и после войны широко использовали в оптике, в разных отраслях техники, даже для склеивания мрамора в метро.
Дальнейшие разработки по полимеризации винилэтиленкарбинолов помогли ученому синтезировать ныне широко используемое в медицине средство обезболивания под названием промедол.
Вакцины от туляремии и туберкулеза
В годы Великой Отечественной войны успешной разработкой новых лекарств, мазей (мазь Вишневского) и вакцин занимались медики, химики и биологи. В первые годы войны по всей стране отмечались резкие вспышки заболевания туляремией из-за размножения огромного количества мышей. Опыты по получению живой туляремийной вакцины были начаты в конце сороковых годов прошлого века Н.А. Гайским и Б.Я. Эльбертом (Эльберт Б.Я., Гайский H.A. О механизме инфекции и иммунитета при экспериментальной туляремии. Сообщ. I // ЖМЭИ. 1941. №12. С. 35—37). Николай Гайский продолжил опыты во время войны в Иркутском противочумном институте и занимался производством диагностических сывороток (Гайский H.A. Живая туляремийная вакцина // ЖМЭИ. 1944'. №12. С. 14—19). Действие изобретенной вакцины Гайский с коллегами проверили на себе. Препарат позволил резко снизить заболеваемость туляремией в войсках и среди гражданского населения. За выдающееся достижение советской микробиологии и иммунологии Гайский и Эльберт стали лауреатами Государственной премии СССР в 1946 году.
В это время в Казахстан, в Боровое, был эвакуирован известный микробиолог и эпидемиолог академик Николай Гамалея. Ученый создал новую лабораторию, разрабатывал специфическое лечение туберкулезных больных и написал несколько фундаментальных трудов по лечению туберкулеза и гриппа, а также учебник по микробиологии. В 1942 году он предложил обрабатывать слизистые оболочки носа препаратами олеиновой кислоты для профилактики гриппа.
Список важнейших для мировой науки фундаментальных исследований, проведенных советскими учеными в военные годы, которые сразу или впоследствии нашли применение, а также оказали значительное влияние на мировую науку, можно продолжать долго. Это созданная Львом Ландау теория квантовой жидкости, которая помогла существенно продвинуться в понимании теории сверхпроводимости (Нобелевская премия 1962 года). Или исследования сверхтекучести гелия Петра Капицы с сотрудниками и работы по созданию новых методов достижения низких температур, которые в военные годы помогли построить самую большую в мире установку по промышленному производству жидкого кислорода (для госпиталей и военных заводов). Это и методы расчета магнитных полей, и разработка защиты боевых кораблей от магнитных мин и торпед под руководством А.П. Александрова из ЛФТИ, и многое другое.
Ольга Баклицкая
За загадочными словами «флаттер» и «шимми» стоят серьезные проблемы, которые испытывала мировая авиация в бурный период своего расцвета. В середине 30-х годов при переходе на более высокие скорости самолеты разрушались от быстро нарастающей тряски. С этим явлением, получившим название «флаттер» (от англ. flutter — дрожание, вибрация), результатом игры сил аэродинамики и резонанса, безуспешно пытались справиться конструкторы во всем мире — самолеты продолжали разваливаться. Проблему удалось решить известному ученому Мстиславу Келдышу (впоследствии — одному из отцов советской космической программы) с сотрудниками в ЦАГИ, которые начали исследования еще в предвоенные годы. С помощью математических расчетов Келдыш сформулировал причины флаттера, предложил метод расчета критической скорости и доступные практические приемы для гашения катастрофической вибрации на разных скоростях у самолетов того времени. Нельзя забывать о том, что в то время ученые были вооружены только логарифмической линейкой и арифмометром, и при решении проблемы флаттера Келдыш проявил не только гений математика, но и незаурядные инженерные способности экспериментатора.
В годы войны ученый работал на авиационных заводах и как руководитель отдела ЦАГИ курировал проблему вибраций в самолетостроении. За эти работы ученому была присуждена (совместно с Е.П. Гроссманом) первая Сталинская премия (1942 г.), а спустя год — первый орден Трудового Красного Знамени.
Справились с флаттером, но предстояло еще разобраться с шимми (от англ. shimmy — танец, вибрация) — интенсивным самовозбуждающимся колебанием передней стойки шасси, приводящим к поломке во время взлета и посадки самолета. И в этот раз за короткий срок Келдыш справляется с проблемой. В своей работе «Шимми переднего колеса трехколесного шасси» (1945 г.), которая была удостоена второй Сталинской премии (1946 г.), он предлагает и теоретическое решение, и инженерные рекомендации. Он изучил упругие деформации пневматика и разработал теорию качения по плоскости колеса с деформирующимся пневматиком. С учетом этого вывел уравнение шимми, вращения стойки и ее изгиба. По уравнениям Келдыша можно было рассчитать не только скорость, при которой возникает шимми, но и подобрать параметры для его предотвращения.
До сих пор математики называют эту работу «красивой». Значимость этих работ Келдыша для авиации ничуть не меньше, чем для развития аэродинамики и математики в целом. Более того, они привели его позже к разработке знаменитой теории несамосопряженных операторов из раздела функционального анализа («О полноте собственных функций некоторых классов несамосопряженных операторов»).
Синхрофазотрон и принцип автофазировки
Сотрудник ФИАН (Физический институт АН СССР) Владимир Векслер в довоенное время изучал космические лучи, охотясь за ними в экспедициях на Памире и Кавказе. Во время эвакуации института в Казань Векслер работал над обработкой сигналов в акустике и радиолокации, но уже в 1943 году вернулся к фундаментальным исследованиям. Мысли о создании ускорителей заряженных частиц для получения «собственных космических лучей» привели ученого к открытию, без которого сегодня немыслима ускорительная техника. В 1944 году Векслер предложил, а его сотрудник Е. Фейнберг теоретически обосновал так называемый «принцип автофазировки» ускоренных релятивистских заряженных частиц, сделавший возможным создание современных ускорителей высокой энергии (Новый метод ускорения релятивистских частиц // Докл. АН СССР. 1944. Т. 43 (8). С. 346–348. О новом методе ускорения релятивистских частиц // Докл. АН СССР. 1944. Т. 44 (9). С. 393–396.)
Принцип автофазировки или фазовой устойчивости Векслера помог решить проблему сохранения устойчивости движения ускоряемых частиц при релятивистском увеличении их массы, что приводило к нарушению резонанса между движением частицы и ускоряющим полем. Частицы стали запускать в длинную свернутую в кольцо трубу, а для удержания их на постоянной орбите синхронно с ростом энергии увеличивали магнитное поле. Ускорители такого типа получили название синхрофазотронов. В ФИАНе и в Дубне началось строительство новых ускорителей, и сегодня принцип автофазировки используется во всех современных ускорителях. Построенный и запущенный в 1957 году в Дубне синхрофазотрон несколько лет был единственным ускорителем в мире, дающим возможность получать протоны с энергией 10 ГэВ. Переворот в физике атомного ядра и в физике элементарных частиц, открытие новых частиц, проверка фундаментальных законов и теорий, новые знания о микромире — все это стало возможным благодаря открытому Векслером принципу. Годом позже американский ученый Эдвин Макмиллан сделал это открытие независимо, за что получил Нобелевскую премию, но признавал приоритет Векслера (оба ученых получили американскую премию «Атом для мира» в 1963 году).
Завойский и электронный парамагнитный резонанс
Еще один знаменитый ученый, фундаментальное открытие которого дало толок бурному развитию разных наук и положивший начало новой области физики — магнитной радиоспектроскопии, — Евгений Завойский из Казанского университета.
Еще в начале 1941 года ученый на простенькой установке занимался поиском ядерного магнитного резонанса, но с началом войны переключился на оборонную тематику. В конце 1943 года он получает возможность вернуться к фундаментальным исследованием и открывает явление электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Если коротко, то суть этого явления в резонансном поглощении электромагнитного излучения неспаренными электронами, когда спектр ЭПР позволяет получать данные о веществе.
В 1944 году Завойский выступает на семинаре у Петра Капицы и публикует свои исследования (Новый метод исследования парамагнитной абсорбции, «ЖЭТФ», 1944, вып. 10—11 совместно с С.А. Альтшуллером и Б.М. Козыревым, Парамагнитная абсорбция в растворах при параллельных нолях, там же, 1945, вып. 6, Парамагнитная релаксация в жидких растворах при перпендикулярных полях там же, 1945, вып. 7).
Открытие Завойского, получившее Ленинскую премию в 1957 году, одно из важнейших в физике прошлого века, привело позднее к созданию лазеров и мазеров, а также приблизило открытие близких явлений — ядерного, ферромагнитного, антиферромагнитного и акустического парамагнитного резонанса. В промышленно развитых государствах возникли целые индустрии, выпускающие радиоспектроскопическое оборудование, некоторые приложения которых широко известны: медицинские томографы, квантовые парамагнитные усилители для дальней (космической связи).
Кометы и телескопы
Своих исследований не прерывали и астрономы. С одной стороны, это имевшие оборонное значение работы: для штурманской службы бомбардировочной авиации сотрудники ГАИШ МГУ составляли специальные таблицы восхода и захода Солнца и Луны; для предсказания «радиопогоды» и обеспечения армейской радиосвязи создали специальную Службу Солнца, а также Службу времени. С другой стороны, продолжались фундаментальные исследования. Так, сотрудники ГАИШ во главе с В.Г. Фесенковым выехали в Алма-Ату, где открыли филиал и наблюдали полное солнечное затмение. А профессор С.В. Орлов, директор ГАИШ с 1943 по 1952 год, разработал новую теорию строения головы комет, изучил вопросы изменения яркости кометы в зависимости от ее расстояния от Солнца и причины отталкивательных ускорений Солнца в хвостах комет. Работа Орлова, позволившая провести строгую классификацию кометных форм, была удостоена Государственной премии СССР (1943 г.).
В военное время была изобретена менисковая система телескопов, которая сыграла огромную роль в оптическом приборостроении. Автор изобретения, Дмитрий Максутов, рассказывал, что эта идея ему пришла в голову буквально в дороге, во время эвакуации, когда ГОИ (Государственный оптический институт) перемещался из Ленинграда в Йошкар-Олу. Благодаря своим преимуществам: светосиле, большому полю зрения, высокому качеству изображения и компактности — менисковая система получила широкое распространение.
Несмотря на то, что в военные годы лаборатория астрономической оптики ГОИ почти прекратила своё существование, оборудование было передано мастерским для армии или разрушено, для Максутова это было время творческого взлёта. С помощью логарифмических таблиц и линеек он за год самостоятельно произвел точные тригонометрические расчеты более двухсот менисковых систем различного назначения: от менисковых очков малого увеличения до менискового планетного телескопа метрового диаметра. К 1944 таких расчётов было сделано более полутысячи, и в 124-м выпуске «Трудов» ГОИ выходит его работа «Новые катадиоптрические менисковые системы». Западный научный мир узнал об изобретении из статьи в JOSA (Maxutov D. D. New catadioptric meniscus systems // J. Opt. Soc. America. — 1944 Vol.34, No5 pp. 270-284), а в 1946 году ему присуждается Государственная премия I-й степени «За создание новых типов оптических систем».
Карбинольный клей Назарова
Отремонтировать бензобаки, склеить корпуса аккумуляторов, отреставрировать сверла, починить блоки цилиндров на танках и автомашинах — все это можно было сделать с помощью чудесного раствора, карбинольного клея Назарова.
Прямо перед войной в Институте органической химии АН СССР Иван Назаров защищает диссертацию, в которой показывает, что винилацетилен при конденсации с кетонами образует винилэтинилкарбинолы, которые легко полимеризуются. Продукт частичной полимеризации ученый предложил использовать в качестве клеящего средства — карбинольного клея (диметилвинилэтинилкарбинола). Во время войны клей творил чудеса: с его помощью удавалось в полевых условиях склеивать боевую технику, и в 1942 году Назаров получает Государственную премию за разработку нового метода.
Клей и после войны широко использовали в оптике, в разных отраслях техники, даже для склеивания мрамора в метро.
Дальнейшие разработки по полимеризации винилэтиленкарбинолов помогли ученому синтезировать ныне широко используемое в медицине средство обезболивания под названием промедол.
Вакцины от туляремии и туберкулеза
В годы Великой Отечественной войны успешной разработкой новых лекарств, мазей (мазь Вишневского) и вакцин занимались медики, химики и биологи. В первые годы войны по всей стране отмечались резкие вспышки заболевания туляремией из-за размножения огромного количества мышей. Опыты по получению живой туляремийной вакцины были начаты в конце сороковых годов прошлого века Н.А. Гайским и Б.Я. Эльбертом (Эльберт Б.Я., Гайский H.A. О механизме инфекции и иммунитета при экспериментальной туляремии. Сообщ. I // ЖМЭИ. 1941. №12. С. 35—37). Николай Гайский продолжил опыты во время войны в Иркутском противочумном институте и занимался производством диагностических сывороток (Гайский H.A. Живая туляремийная вакцина // ЖМЭИ. 1944'. №12. С. 14—19). Действие изобретенной вакцины Гайский с коллегами проверили на себе. Препарат позволил резко снизить заболеваемость туляремией в войсках и среди гражданского населения. За выдающееся достижение советской микробиологии и иммунологии Гайский и Эльберт стали лауреатами Государственной премии СССР в 1946 году.
В это время в Казахстан, в Боровое, был эвакуирован известный микробиолог и эпидемиолог академик Николай Гамалея. Ученый создал новую лабораторию, разрабатывал специфическое лечение туберкулезных больных и написал несколько фундаментальных трудов по лечению туберкулеза и гриппа, а также учебник по микробиологии. В 1942 году он предложил обрабатывать слизистые оболочки носа препаратами олеиновой кислоты для профилактики гриппа.
Список важнейших для мировой науки фундаментальных исследований, проведенных советскими учеными в военные годы, которые сразу или впоследствии нашли применение, а также оказали значительное влияние на мировую науку, можно продолжать долго. Это созданная Львом Ландау теория квантовой жидкости, которая помогла существенно продвинуться в понимании теории сверхпроводимости (Нобелевская премия 1962 года). Или исследования сверхтекучести гелия Петра Капицы с сотрудниками и работы по созданию новых методов достижения низких температур, которые в военные годы помогли построить самую большую в мире установку по промышленному производству жидкого кислорода (для госпиталей и военных заводов). Это и методы расчета магнитных полей, и разработка защиты боевых кораблей от магнитных мин и торпед под руководством А.П. Александрова из ЛФТИ, и многое другое.
Ольга Баклицкая
Комментариев нет:
Отправить комментарий