Макс фон Лауэ

Биография

Немецкий физик Макс Теодор Феликс фон Лауэ родился в семье гражданского служащего ведомства военных судов Юлиуса Лауэ и урожденной Минны Церренер. Дворянскую приставку «фон» фамилия обрела в 1913 г., когда отец Л. получил потомственное дворянство. По роду деятельности отца семья часто переезжала с места на место, поэтому Л. пришлось учиться во многих школах, но главным образом среднее образование он получил в протестантской гимназии Страсбурга. В возрасте двенадцати лет Л. стал интересоваться физикой, и его мать предоставила ему возможность посещать «Уранию» – берлинское общество, занимавшееся популяризацией науки. В обществе устраивались выставки действующих моделей научных приборов, демонстрировались опыты, давались к ним пояснения.

Окончив в 1898 г. гимназию, Л. стал заниматься физикой, химией и математикой в Страсбургском университете. Одновременно он проходил обязательную годичную военную службу. В университете его интерес к физике поддерживали лекции Фердинанда Брауна. Учился Л. и в университетах Геттингена, Мюнхена и Берлина. В 1903 г. он под руководством Макса Планка в Берлинском университете защитил с отличием докторскую диссертацию по теории интерференции света в плоско-параллельных пластинках. Интерференцией называется взаимодействие пересекающихся световых волн, гасящих или усиливающих друг друга, в зависимости от разности их фаз (состояний в циклах изменений электрического и магнитного полей). Работая над диссертацией, Л. впервые заинтересовался физической оптикой.

Последующие два года Л. провел в Геттингенском университете, после чего сдал экзамен на право преподавания физики в средней школе. С 1905 по 1909 г. он был ассистентом Планка в Институте теоретической физики в Берлине. В этот период он пытался применить понятие энтропии к полям излучения и выяснить термодинамический смысл когерентности световых волн. Энтропия в термодинамике представляет собой физическое свойство, связанное с изменениями энергии и степенью равновесия системы. Когерентность световых волн означает существование строго заданного устойчивого соотношения между их фазами, когда степень согласия или рассогласования между их изменяющимися электромагнитными полями остается неизменной. Совместная работа Л. и Планка переросла в дружбу, верность которой они сохранили на всю жизнь. Проработав с 1906 по 1909 г. приват-доцентом (внештатным преподавателем) в Берлинском университете, Л. перешел на физический факультет Мюнхенского университета к Арнольду Зоммерфельду. В Мюнхене Л. читал лекции по оптике и термодинамике ив 1911 г. опубликовал первую обстоятельную монографию, посвященную бывшей тогда еще спорной теории относительности Альберта Эйнштейна.

На следующий год Л. получил назначение на кафедру теоретической физики Цюрихского университета, где он провел два года до перехода во Франкфуртский университет. Значительную часть первой мировой войны Л. работал в Вюрцбургском университете у Вильгельма Вина. Там он занимался исследованием электронных ламп, используемых в телефонной и беспроволочной связи. В 1917 г. Л. был назначен на пост заместителя директора Физического института кайзера Вильгельма в Берлине, директором которого был Эйнштейн. Продолжая выполнять свои в основном административные обязанности в институте, Л. в 1919 г. принял приглашение занять пост профессора физики Берлинского университета и оставался им до 1943 г.

Вскоре после переезда в Цюрих Л. заинтересовался проблемой, остававшейся нерешенной со времени открытия рентгеновского излучения Вильгельмом Рентгеном (1895): является ли это излучение одной из форм электромагнитного излучения с очень короткой длиной волны? В то время Л. работал над главой по волновой оптике для многотомной «Энциклопедии математических наук» («Еnzykiopadie der mathematischen Wissenschaften"). Ему необходимо было выразить математически действие дифракционной решетки на световые волны. Дифракционная решетка – это стеклянная пластинка или зеркало, на которые на малом расстоянии друг от друга нанесены равноотстоящие штрихи (бороздки), разбивающие падающий свет на множество отдельных источников. Вторичные световые волны, исходящие от различных участков дифракционной решетки, имеют одинаковую фазу, но попадают в точку экрана, проходя различные расстояния, Так как при распространении света фаза повторяется через расстояние, равное длине волны (например, через расстояние между соседними гребнями в океанской волне), лучи приходят в точку с различными фазами в зависимости от того, сколько (целых и долей) длин волн укладывается в пройденном ими пути. В результате на экране возникает сложная картина из светлых и темных полос: светлых там, где приходящие волны совпадают по фазе и усиливают друг друга; темных – где приходящие волны находятся в противофазе и гасят друг друга. Л. занимался обобщением математического описания для двухмерной дифракционной решетки с двумя семействами штрихов.

В то же время к Л. обратился его коллега с просьбой помочь в математическом исследовании поведения световых волн в кристалле. Предполагалось, что кристалл представляет собой трехмерную решетку с атомами в узлах, образующими периодически повторяющийся правильный «узор». Л. не удалось решить задачу, о которой его просили, но его заинтересовал вопрос о том, как стали бы вести себя световые волны, если бы они были очень короткими (много короче, чем длины волн видимого света) по сравнению с расстояниями между атомами в кристаллической решетке. На существовавшем тогда уровне знаний было принято считать, что межатомные расстояния в кристаллических решетках примерно в 10 раз больше, чем предполагаемые длины волн рентгеновского излучения. Л. сразу же высказал предположение о том, что если рентгеновское излучение действительно является электромагнитными волнами, то кристалл будет действовать на него как трехмерная дифракционная решетка. Из кристалла по различным направлениям исходило бы рассеянное на отдельных атомах рентгеновское излучение и порождало бы дифракционную картину, состоящую из светлых точек, куда приходят лучи, совпадающие по фазе и поэтому усиливающие друг друга, и темных областей, где сходятся лучи, в той или иной мере не совпадающие по фазе и поэтому гасящие друг друга.

Л. предложил эксперимент, который позволил бы подтвердить или опровергнуть выдвинутую им гипотезу, а в ожидании, пока найдутся желающие и соответствующее оборудование, принялся за преодоление некоторых теоретических возражений. В апреле 1912 г. сотруднику Мюнхенского университета Вальтеру Фридриху (ассистенту Зоммерфельда) и аспиранту того же университета Паулю Книппингу удалось направить на кристалл медного купороса (сульфата меди) узкий пучок рентгеновского излучения и зафиксировать рассеянное на кристалле излучение на фотопластинке. Их первым успехом была дифракционная картина из темных точек, которую они увидели, когда проявили пластинку (темные пятна на негативе соответствуют большой засветке). Ныне такие дифракционные картины носят название лауэграмм. Даже если падающее рентгеновское излучение состояло из смеси различных длин волн, в темные точки приходило излучение с одной и той же длиной волны. Это было еще одним подтверждением того, что наблюдалась интерференция электромагнитных волн. Соотношения между фазами волн различной длины слишком сложны для того, чтобы порождать четкую дифракционную картину. Но присутствующие в смеси излучения с какой-либо определенной длиной волны могут селективно порождать четкую дифракционную картину, хорошо различимую на общем фоне. Вдохновленный подтверждением своей гипотезы, Л. справился со всеми математическими трудностями. Он обнаружил, что для описания дифракции на двухмерной решетке необходимо несколько раз повторить расчеты, проводимые в случае рассеяния на одномерной решетке.

Выведенные им уравнения позволили установить соответствие между экспериментально наблюдаемыми лауэграммами, с одной стороны, и реальными положениями атомов в кристаллах и длиной волны рентгеновского излучения – с другой. Тем самым Л. открыл очень перспективную область исследования (рентгеновскую кристаллографию), в которой рентгеновское излучение используется для определения структуры кристаллов, а в кристаллах известной структуры – для определения длин волн рентгеновского излучения. Анализ рентгеновского излучения, испускаемого атомами (рентгеновская спектроскопия), оказался весьма важным для понимания структуры атома. Эйнштейн называл открытие Л. «одним из наиболее красивых в физике».

«За открытие дифракции рентгеновских лучей на кристаллах» Л. был удостоен Нобелевской премии по физике 1914 г. Представляя лауреата, Г.Д. Гранквист из Шведской королевской академии сказал: «В результате открытия Л. было неопровержимо установлено, что рентгеновское излучение представляет собой световые волны очень малой длины. Кроме того, оно привело к наиболее важным открытиям в области кристаллографии... Открытие Л., – продолжал Гранквист, – позволяет определить положение атомов в кристаллах и получить много полезных сведений».

Работа Л. легла в основу многих открытий: методов рентгеновской кристаллографии Уильяма Л. Брэгга, установления молекулярной структуры пенициллина Дороти К. Ходжкин и аминокислот Джоном К. Кендрю и Максом Перуцем. Она способствовала дальнейшему развитию спектроскопии и физики твердого тела. Усовершенствуя свою теорию интерференции рентгеновского излучения, Л. исследовал взаимодействие между атомами в кристалле и падающим электромагнитным излучением. В конце жизни он подошел к теории дифракции с совершенно новой стороны, рассматривая вместо традиционных амплитуд волн поток энергии. В 30-е гг. Л. принял участие в работах Вальтера Мейсснера, приведших к открытию эффекта выталкивания сверхпроводником магнитного поля.

На съезде физиков, состоявшемся в Вюрцбургском университете (1933), Л. выступил с осуждением нового национал-социалистического правительства Адольфа Гитлера за то, что оно сместило Альберта Эйнштейна с поста директора Физического института кайзера Вильгельма в Берлине. Он сравнил травлю Эйнштейна с преследованием Галилея в XVII в. Л. не только отстаивал теорию относительности Эйнштейна от нападок ученых, поддерживающих нацизм, таких, как Филипп фон Ленард и Йоханнес Штарк, но и активно противодействовал приему Штарка в Прусскую академию наук и Германскую ассоциацию исследователей. Несмотря на столь активные антинацистские выступления, Л. на протяжении всей второй мировой войны было разрешено преподавать и заниматься научно-исследовательской деятельностью.

После того как в 1944 г. Берлин стал подвергаться систематическим бомбардировкам, Л. перевел Физический институт кайзера Вильгельма в г. Хехинген (земля Вюртемберг). На следующий год он был арестован союзниками и вместе с другими немецкими учеными отправлен в Англию. Л. было разрешено вернутьсявГерманиюв1946 г. По возвращении он стал исполняющим обязанности директора Института Макса Планка (бывшего Института кайзера Вильгельма) и профессором физики Геттингенского университета. Занимая эти посты и будучи консультантом Государственного физико-технического института в Берлине, Л. сыграл главную роль в возрождении науки послевоенной Германии. С 1951 г. и до последовавшего через семь лет ухода в отставку Л. был директором Института физической химии Фрица Габера в Берлине.

В 1910 г. Л. вступил в брак с Магдаленой Деган; у них родились сын и дочь. Л. любил парусный спорт, альпинизм, классическую музыку. Особенно он увлекался быстрой ездой на автомобиле или мотоцикле. 8 апреля 1960 г., направляясь за заседание в Ванзее, он столкнулся с мотоциклистом и не смог выбраться из перевернувшейся машины. Почти оправившись от полученных травм, Л. скончался. Он был похоронен в Геттингене, где покоятся Макс Планк, Вальтер Нернст и другие выдающиеся немецкие ученые.

Помимо Нобелевской премии, Л. был удостоен многих других наград, в том числе медали Макса Планка Германского физического общества (1932) и Большого креста ордена «За федеральные заслуги» правительства ФРГ (1953). Он был почетным доктором Боннского, Штутгартского, Мюнхенского, Берлинского, Манчестерского и Чикагского университетов, членом многочисленных научных обществ, в том числе Американского, Германского, Французского физических обществ, и Венской академии наук. В 1948 г. Л. был избран почетным президентом Международного союза кристаллографов, в 1953 г. произведен в офицеры ордена Почетного легиона.