Історія фізики в Україні: від Києво-Могилянської академії до сучасності

Фізика в Україні має багатовікову історію, що бере початок ще з часів Києво-Могилянської академії і продовжується до сьогодні. Українська земля дала світу чимало визначних науковців, чиї праці збагатили всі основні напрямки фізики – від класичної механіки та термодинаміки до квантової фізики й астрофізики. В Україні формувалися наукові школи з електродинаміки, оптики, фізики твердого тіла, фізики плазми та інших галузей. Українські університети і наукові центри відігравали ключову роль у розвитку фізичної науки, а українські вчені зробили важливий внесок у світову науку. Нижче представлено цілісну історичну лінію розвитку фізики в Україні – від перших освітніх осередків до сучасних міжнародних проєктів.

Києво-Могилянська академія: колиска природознавства

Початки розвитку фізичних знань на українських землях тісно пов’язані з загальним розвитком природознавства. Уже у Середньовіччі з’являються відомості про зацікавлення природничими науками – наприклад, першим відомим українським доктором медицини та астрономом був Юрій Дрогобич (1450–1494) . Створена 1632 року Києво-Могилянська академія стала провідним освітнім центром, де навчали і філософії, і основ тогочасної натурфілософії на рівні європейських університетів . Найвизначнішим викладачем фізики (тоді – натурфілософії) у КМА був Теофан Прокопович – відомий просвітник і вчений . У його курсах студенти знайомилися з працями Коперника, Галілея, Декарта та інших, закладаючи підґрунтя для подальшого розвитку точних наук. Вже на початку 18 століття елементи фізики викладалися і в регіонах – так, у Харківському колегіумі з 1727 року читали природознавство на високому рівні [1] .

Циркульний корпус НаУКМА. Автор: Photo by Mykola Vasylechko. Світлина Миколи Василечка., CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=35591310

Історія фізики у ХІХ столітті: університети та перші відкриття

У XIX столітті з розвитком класичних університетів починається становлення фізики як окремої науки в Україні. У 1805 році було відкрито Харківський імператорський університет, 1834 – Київський університет Святого Володимира, які стали центрами наукової роботи. Одним з перших фізиків Харківського університету був Тимофій Осиповський (1765–1832), що досліджував природу світла, простору і часу . Учень Осиповського, видатний математик і фізик Михайло Остроградський (1801–1862) народився на Полтавщині і став першим українцем, чиї результати здобули світове визнання в галузі фізики . Він довів важливу теорему про перетворення кратних інтегралів – теорему Остроградського–Гауса, що лягла в основу сучасної теоретичної механіки та електродинаміки . Остроградський також розвинув варіаційні методи в механіці і вивчив поширення хвиль у рідинах . Його праці з класичної механіки і математичної фізики заклали підґрунтя для подальших поколінь науковців[1].

Остроградський Михайло Васильович. Зображення: Суспільне надбання (Public Domain), https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3316667

На той час в інших університетських центрах теж з’являються талановиті дослідники. У Київському університеті першу фізичну школу заснував професор Михайло Авенаріус (1835–1895), який у 1860–1880-х роках виконав піонерські дослідження з термоелектрики. Він відкрив залежність електрорушійної сили термопари від температури – закон Авенаріуса, а також досліджував критичні параметри рідин . У 1884 році в Києві було створено першу в Україні кафедру теоретичної фізики, яку очолив Микола Шіллер (1828–1909) . Шіллер зробив внесок у термодинаміку: зокрема, описав пружність насиченої пари (так званий закон Томпсона–Шіллера) та довів існування інтегруючого множника у диференціальному рівнянні другого начала термодинаміки (ця функція виявилася залежною лише від температури) [1].

Наприкінці XIX ст. вагомих результатів досягли українські вчені й за межами підросійської України. У Львівському університеті (тоді Австро-Угорщина) працював відомий фізик-теоретик Мар’ян Смолуховський(1872–1917) – один з відкривачів явища броунівського руху і автор класичних праць з статистичної фізики. В Галичині народився і Іван Пулюй (1845–1918) – визначний український фізик та електротехнік, який більшість життя працював у Австрії (Прага, Відень). Пулюй досліджував електричні розряди в газах, молекулярну фізику та катодні промені.

Іван Пулюй (1845–1918). Зображення: , Суспільне надбання (Public Domain), https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=57718084

Він сконструював власну вакуумну трубку – «трубку Пулюя» – і за її допомогою ще до Рентгена спостерігав невидимі промені, що могли проникати крізь речовину . Пулюй вперше отримав рентгенівські знімки (зокрема, скелета руки) ще 1895 року, однак опублікував результати дещо пізніше Рентгена . Незважаючи на те, що його пріоритет довго лишався недооціненим, тепер Пулюй визнаний співвідкривачем рентгенівських променів . Окрім цього, він створив низку винаходів – від удосконалених ламп розжарювання до телеметричних приладів – і залишив по собі понад 50 наукових праць німецькою мовою . Таким чином, уже в XIX столітті українські вчені зробили внесок у класичну фізику, заклавши підвалини для подальших відкриттів [2,10].

Українська наука на зламі століть: перші інституції та нові напрями

На початку XX століття, особливо після революційних подій, відбувається інституціоналізація науки в Україні. У 1918 році була заснована Українська Академія Наук (нині – НАН України), президентом якої став геохімік Володимир Вернадський. До складу перших академіків увійшли і фізики, які закладали основи наукових установ. Хоча політична нестабільність 1917–1920 років заважала роботі, уже тоді проявили себе такі вчені, як механік Степан Тимошенко (1878–1972), що згодом емігрував і став світовим авторитетом у теорії пружності .

У 1918 році в Криму за ініціативи науковців з Києва було відкрито Таврійський університет у Сімферополі . За недовгий час свого існування (до 1929 р.) цей університет став осередком активної наукової діяльності. Тут працював визначний теоретик Яків Френкель (1894–1952), автор фундаментальних підручників з теоретичної фізики та концепції екситонів; математик Микола Крилов (1879–1955), який згодом у Києві разом з учнем Миколою Боголюбовим розвинув методи нелінійної механіки; приїздили читати лекції видатні фізики як Абрам Йоффе та Ігор Тамм . Вихованцями Кримського університету стали, зокрема, Ігор Курчатов (1903–1960) – майбутній керівник радянського атомного проєкту, та Кирило Синельников (1901–1966) – фізик, який згодом прославився як конструктор прискорювачів і дослідник ядерної та плазмової фізики у Харкові [1].

У ці ж роки пожвавилася наукова робота і в інших регіонах. У 1921 році засновано Інститут фізики у Києві при АН УСРР, який став першою спеціалізованою фізичною установою. У Одесі 1926 року відкрито Науково-дослідний інститут фізики, де під керівництвом професора Єлпідифора Кирилова вивчали фотоелектричні явища . Одеські науковці отримали важливі результати щодо фотоефекту в напівпровідниках, люмінесценції барвників і кристалів, а також фотохімічних процесів у фотографії . 1926 року в Полтаві почала роботу Полтавська гравіметрична обсерваторія, де досліджували обертальний рух Землі, гравітаційні аномалії та земні припливи . А 1932 року в тодішньому Дніпропетровську (нині Дніпро) створено Фізико-технічний інститут, що зосередився на прикладних проблемах металургії . Дніпропетровський ФТІ прославився дослідженнями в галузі металознавства, теплофізики та фізики горіння – зокрема, там було започатковано роботи з фізики повільного та вибухового горіння, важливі для промисловості .

Харківський фізико-технічний інститут і ядерні дослідження 1930-х

Лев Ландау (1908–1968) – видатний український фізик-теоретик, лауреат Нобелівської премії (1962) за теорію квантової рідини (надплинного гелію). У 1930-х роках Ландау очолив теоретичний відділ Харківського фізико-технічного інституту і створив знаменитий «ландауівський» курс теоретичної фізики .

Наприкінці 1920-х Україна стала одним із центрів зародження радянської ядерної фізики. 1928 року в Харкові був відкритий Український фізико-технічний інститут (УФТІ) – перша в СРСР наукова установа, спеціалізована на фізиці атомного ядра та конденсованого стану. На базі Харківського університету і за підтримки академіка Абрама Йоффе до УФТІ залучили молодих талановитих учених з усього Союзу. В інституті швидко розгорнулися широкі дослідження з теоретичної фізики, ядерної фізики, фізики низьких температур, фізики твердого тіла та радіофізики . Харківський ФТІ у 1930-ті фактично випередив інші центри та став одним із провідних фізичних осередків не лише України, а й всього СРСР .

Саме в Харкові склалася блискуча плеяда науковців, відома як «харківська школа» фізиків. Теоретичний відділ очолив Лев Ландау, який переїхав до Харкова у 1932 році. Ландау (уродженець Баку, але значну частину кар’єри провів в Україні) спільно зі своїм учнем Євгеном Ліфшицем започаткував багато томів курсу теоретичної фізики, що став класичним підручником у всьому світі . Ландау та його колеги зробили фундаментальні відкриття: теорію діамагнетизму металів, теорію фазових переходів другого роду, заклали основи квантової теорії конденсованого стану. У 1962 році Ландау був удостоєний Нобелівської премії за пояснення явища надплинності гелію-ІІ – робота, початок якій було закладено ще в Харкові. В УФТІ працювали й інші талановиті теоретики: Ілля Ліфшиць (брат Євгена, автор праць з квантової теорії твердого тіла) , Олександр Ахієзер та Олексій Ситенко (розробники теорії електромагнітних флуктуацій у плазмі) , Ісаак Померанчук (відомий своєю теоремою про сильні взаємодії на високих енергіях ) та інші. На експериментальному фронті Харків теж випереджав час: група під керівництвом Кирила Синельникова та Олександра Лейпунського збудувала один з перших у світі високовольтних прискорювачів для ядерних реакцій. 10 жовтня 1932 року вони здійснили історичний експеримент – вперше в СРСР штучно розщепили атомне ядро . Бомбардуванням літію протонами було викликано його розпад на дві альфа-частинки, що підтвердило славнозвісну формулу Айнштайна E = mc² (виділення енергії при втраті маси) на практиці. Це відкриття, зроблене в Харкові майже одночасно з аналогічним експериментом Дж. Кокрофта і Е. Уолтона в Кембриджі, стало початком ядерної фізики в Радянському Союзі [1,3].

У 1934 році харків’яни зробили ще один вагомий внесок у науку про атомне ядро: під час наукового відрядження до лабораторії Ернеста Резерфорда в Кембриджі вже згаданий Олександр Лейпунський отримав перші експериментальні докази існування нейтрино . Він спостерігав явища, що підтверджували гіпотезу Вольфганга Паулі про нейтрино як невловиму частинку, яку було висунуто для пояснення бета-розпаду. Таким чином, нейтрино – частинка, що відіграє ключову роль у сучасній фізиці елементарних частинок, – вперше було «впіймано» саме за участі українського вченого. Це досягнення принесло Лейпунському світове визнання[3] .

Харківський інститут був також піонером у галузі фізики низьких температур та надпровідності. Тут працював фізик Лев Шубников (1901–1937), який відкрив ефект часткової надпровідності у сильних магнітних полях (нині відомий як другий рід надпровідності, тип-II). На жаль, розквіт харківської фізичної школи перервав сталінський «Великий терор»: у 1937–38 роках зазнали репресій чи вимушено виїхали багато провідних учених (Шубников був розстріляний, Ландау заарештований, але звільнений зусиллями Петра Капіци в 1939). Проте закладений у Харкові науковий потенціал мав довготривалий ефект – вихованці УФТІ пізніше визначали обличчя радянської фізики.

Друга світова війна і післявоєнний період: атомний проєкт і нові інститути

Друга світова війна завдала значних втрат науковій інфраструктурі України – частину інститутів евакуювали вглиб СРСР, деякі вчені пішли на фронт. Однак уже невдовзі після війни фізична наука на українських теренах відродилася з новою силою. Особливого значення набули дослідження, пов’язані з атомною енергією. Вихованці українських наукових центрів зробили вагомий внесок у створення радянської атомної бомби. Так, уродженець Харкова Юлій Харитон і випускник Таврійського університету Ігор Курчатов керували відповідно теоретичною і практичною частинами ядерного проєкту СРСР. Курчатов, ставши науковим керівником проєкту в Москві, залучив до робіт багатьох українських фахівців. У Харківському ФТІ Кирило Синельников після війни продовжив дослідження ядерних реакцій – під його керівництвом у 1940-50-х було сконструйовано нові прискорювачі та виконано роботи з розділення ізотопів, важливі для атомної галузі.

У повоєнні десятиліття значно розширилася мережа науково-дослідних установ в Україні. Академія наук УРСР створила цілу низку спеціалізованих інститутів, охоплюючи різні галузі фізики . Станом на 1960-ті роки Відділення фізики АН УРСР нараховувало десять наукових інститутів , серед яких провідними були: Інститут фізики (Київ, відновлений після евакуації), Інститут теоретичної фізики (заснований 1966, Київ) , Інститут фізики металів (1955, Київ) , Інститут напівпровідників (1960, Київ) , Інститут ядерних досліджень (1970, Київ) , Інститут радіофізики та електроніки (1956, Харків) , Фізико-технічний інститут низьких температур(1960, Харків) , Донецький фізико-технічний інститут (1965, Донецьк) та інші. Кожен з них став центром розвитку окремих напрямів.

Так, в Інституті фізики (Київ) під керівництвом академіка Олександра Давидова створилась відома школа спектроскопії та квантової електроніки. Олександр Давидов (1912–1993) розвинув теорію екситонів – колективних збуджень у кристалах, що пояснюють оптичні властивості твердих тіл . Він також досліджував структуру атомних ядер і пояснив особливості спектрів несферичних ядер (явище розщеплення рівнів, відоме як «спліттінг Давидова») . Його підручник з квантової механіки став базовим для поколінь фізиків у СРСР. В Інституті напівпровідників під керівництвом Вадима Лашкарьова було здійснено прорив у фізиці твердого тіла: ще 1941 року Лашкарьов відкрив існування p-n-переходу в напівпровідниках . Ця робота передувала винаходу транзистора і заклала основи сучасної електроніки – недарма дослідник p-n-переходу заслуговував би на Нобеля, як зазначали фахівці . Згодом у Києві на честь цього науковця було названо Інститут фізики напівпровідників НАН України.

Олександр Давидов. Зображення: Davydov - Власна робота, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4653766

У Харкові після війни відновився ФТІ, де розвивалися дослідження з фізики плазми та керованого термоядерного синтезу. Тут академік Александр Ахієзер і його колеги заклали основи теорії плазмових хвиль та магнітної гідродинаміки, а інженери вдосконалювали магнітні пастки для утримання плазми . У 1960-х у Харкові створено один з провідних у світі центрів низькотемпературної фізики – Інститут фізики низьких температур (нині ім. Б. Веркіна). Там досліджували квантові рідини (гелій-3 і гелій-4) та явища надпровідності, що мало і фундаментальне значення, і практичне (нові матеріали для кріотехніки) .

Українські фізики робили внески і в новітні галузі. Зокрема, у 1950–60-х роках активно розвивалася астрофізика. У 1944 році в Києві було створено Головну астрономічну обсерваторію АН УРСР , де досліджували Сонце та планети, астрофізичні проблеми. На базі обсерваторії працювала сонячна лабораторія, а українські астрономи брали участь у визначенні параметрів атмосфери Венери і Марса. У 1945 році в Криму почала діяти Кримська астрофізична обсерваторія (селище Научний), яка швидко стала всесвітньо відомою завдяки відкриттям нових зір, комет та астероїдів . Саме там у 1969 році астрономи Клим Чурюмов і Світлана Герасименко відкрили знамениту комету Чурюмова–Герасименко. Українські вчені долучалися і до космічних програм: уродженець Житомирщини Сергій Корольов став головним конструктором космічних ракет, а київський інженер Юрій Кондратюк (Олександр Шаргей) ще у 1920-х теоретично обґрунтував оптимальну траєкторію польоту на Місяць, яку згодом використало NASA при висадці людини на Місяць. Ці досягнення лежать на межі фізики та техніки, але демонструють широту внеску українських умів у підкорення космосу.

Сергій Корольов.Зображення: https://uk.wikipedia.org/w/index.php?curid=5238528

У 1970–80-х роках фізики України продовжували отримувати результати світового рівня. Так, у Харкові радіофізик Семен Брауде з командою створили унікальний радіотелескоп УТР-2 – найбільший у світі декаметровий радіотелескоп (площею 150 тис. м²), який дозволив вивчати далекі галактики на низьких радіочастотах. В Інституті теоретичної фізики АН УРСР, яким з 1965 р. керував видатний фізик-теоретик Микола Боголюбов, розроблялися нові розділи квантової теорії поля, статистичної фізики і фізики високих енергій. Учень Ландау Василь Струтинський у Києві запропонував модель ядерної оболонки з урахуванням макроскопічних ефектів (метод Струтинського) , що пояснює стійкість важких ядер і використовується при відкритті нових хімічних елементів. У Львові на базі фізичного факультету університету та Фізико-механічного інституту АН УРСР працювала школа фізики міцності матеріалів і магнітних явищ.

Варто згадати, що низка українських фізиків, які працювали в Радянському Союзі поза межами України, традиційно зараховуються до «російських» в історії науки , хоча багато з них народилися або здобули освіту в Україні. Прикладами є вже згаданий Лев Ландау (який розпочав свою кар’єру в Харкові), Ігор Тамм (1895–1971, лауреат Нобелівської премії 1958 за теорію черенковського випромінювання, навчався в Одесі) та Євгеній Ліфшиць, що був уродженцем Харкова. Їхні здобутки – частина як світової, так і української наукової спадщини.

Українські фізики на міжнародній арені і сучасний етап

Україна пишається не лише тими науковцями, які працювали на її території, а й українськими фізиками за кордоном, які досягли вершин у світовій науці. Одним з піонерів серед них був вже згаданий Іван Пулюй, чия наукова кар’єра розгорталася в Австро-Угорщині. Інший видатний уродженець України – Георгій (Джордж) Гамов (1904–1968), який народився в Одесі. Гамов став провідним теоретиком у США: він одним з перших розвинув теорію Великого Вибуху (моделі виникнення Всесвіту) та передбачив існування реліктового випромінювання, а також пояснив ядерний синтез у зорях . Крім того, Гамов зробив внесок у квантову фізику (пояснив механізм альфа-розпаду через квантове тунелювання) і навіть в біологію, запропонувавши ключові ідеї генетичного коду [8].

Георгій Гамов (1904–1968). Зображення: https://uk.wikipedia.org/w/index.php?curid=647020

Серед інших світових науковців українського походження – Степан Тимошенко , який емігрував до США і став «батьком» сучасної прикладної механіки; Георгій Кістяковський – уродженець Києва, що став відомим фізико-хіміком, учасником Мангеттенського проекту і науковим радником президента США Д. Ейзенхауера; Остап Стасів – фахівець з кристалофізики у Канаді ; Нік Голоняк – американський інженер, син українських іммігрантів, який 1962 року винайшов перший напівпровідниковий лазерний діод у видимому діапазоні і отримав прізвисько «батько світлодіода» . Особливе місце посідає Олександр Смакула (1900–1983) – виходець із Тернопільщини, який у 1935 році в Німеччині винайшов антирефлексне покриття лінз (використовується в оптиці й донині у фотооб’єктивах, мікроскопах тощо). Видатні результати у біофізиці здобув Борис Райвський – учень Пулюя, який став директором Інституту біофізики Макса Планка в Франкфурті . Цей перелік далеко не вичерпний: сотні науковців українського походження зробили кар’єру за кордоном і збагатили світову фізику своїми працями .

Після відновлення незалежності у 1991 році Україна успадкувала потужний науковий потенціал, але зіткнулася з економічними труднощами, що вплинули на фінансування науки. Незважаючи на це, українські фізики продовжували працювати над передовими дослідженнями і поступово інтегрувалися у світове наукове співтовариство. Вже у 1990-х Україна приєдналася до міжнародних наукових центрів: стала членом Об’єднаного інституту ядерних досліджень (ОІЯД) у Дубні, уклала угоди про співпрацю з Європейською організацією ядерних досліджень (CERN). Кульмінацією цієї співпраці стало набуття Україною статусу асоційованого члена CERN у 2016 році . Це відкриває нові можливості для українських науковців брати участь у передових експериментах на Великому адронному колайдері та інших установках. Ще до офіційного членства українські фізики зробили свій внесок у проєкти CERN – зокрема, команди з Києва, Харкова і Львова брали участь у детекторних експериментах ALICE, CMS та LHCb на колайдері . Україна також забезпечує один з вузлів світової GRID-мережі обчислювальних центрів для обробки даних LHC [6].

Сьогодні фізична наука в Україні продовжує розвиватися, спираючись на славні традиції минулого і нові виклики сучасності. Провідні університети – Київський національний університет ім. Шевченка, Харківський університет ім. Каразіна, Львівський університет та інші – готують нові покоління фізиків. Національна академія наук України, яку з 1962 по 2020 рр. очолював видатний вчений-організатор Борис Патон, підтримує роботу десятків наукових інститутів. Українські дослідники беруть участь у міжнародних проєктах з астрономії (наприклад, дослідження на українській антарктичній станції «Академік Вернадський»), з ядерної фізики і фізики високих енергій (колаборації в CERN, ОІЯД), з прикладної фізики (проєкти з розробки нових матеріалів, лазерних систем тощо). У 2022 році, незважаючи на випробування війною, українські науковці проявили стійкість: навіть під обстрілами продовжували працювати обсерваторії і лабораторії, зберігся унікальний радіотелескоп УТР-2 під Харковом , евакуйовано цінне обладнання [10].

Отже, історія фізики в Україні – це шлях від перших лекцій з натурфілософії у братських школах до участі у пошуку елементарних частинок у надсучасних колайдерах. Українські вчені збагатили всі розділи фізики: у класичній механіці і математичній фізиці вони дали світові теорему Остроградського; в оптиці – відкриття Пулюя і Смакули; в електродинаміці – вектор Умова–Пойнтінга (ідейно започаткований Миколою Умовим ще в Одесі у 1874 р.), в статистичній фізиці – праці Смолуховського; у ядерній фізиці – перший розкол атомного ядра в Харкові; в квантовій фізиці – теорії Ландау; в астрофізиці – ідеї Гамова і досягнення українських обсерваторій. Роль українських наукових центрів – Києва, Харкова, Львова, Одеси, Дніпра, Сімферополя – була визначальною у формуванні цілих напрямів досліджень, а українська школа фізики стала невід’ємною частиною світової науки. І сьогодні українські фізики продовжують цю славетну традицію, вписуючи нові сторінки в літопис науки.