Физики, химики и математики: жизнь и открытия. часть 13

Часть 1 Часть 2 Часть 3 Часть 4 Часть 5 Часть 6 Часть 7 Часть 8 Часть 9 Часть 10 Часть 11 Часть 12

О происхождении магнитного поля Земли ученые спорили еще в XVI веке. Во время Второй мировой войны два выдающихся британских физика Эдвард Буллард и Патрик Блэкетт участвовали в разработке мер по предотвращению угроз, которые несли флоту союзников немецкие магнитные мины. В ходе этой работы они задумались о природе геомагнетизма. Когда война окончилась, оба вернулись в Кембридж и продолжили размышлять над этой проблемой.




Блэкетт был известнее и как теоретик, и как блестящий экспериментатор. В 1948 году он стал нобелевским лауреатом. Его биография весьма необычна: родившись в семье моряка, Блэкетт в 13 лет стал курсантом Военно-морских сил Великобритании и успел поучаствовать во многих сражениях Первой мировой войны. Потом его вместе с небольшой группой других молодых офицеров отправили на полгода в Кембридж: там Блэкетт проявил исключительные способности, особенно во всем, что касалось техники, - к примеру, разработал вспомогательное приспособление для корабельных орудий, которым стал пользовался весь британский флот. Как-то из любопытства Блэкетт решил посетить Кавендишскую лабораторию - просто посмотреть, что такое настоящая физическая лаборатория. Потрясенный увиденным, он ушел со службы и (уже вполне взрослым человеком) поступил в университет. Там он заинтересовался политикой. После войны симпатии к Советскому Союзу не позволили ему стать участником британского ядерного проекта, хотя он и принимал участие в Манхэттенском проекте Соединенных Штатов. В старости Блэкетт - к тому времени лорд Блэкетт Челси - заседал в палате лордов. Скончался выдающийся английский ученый в 1974 году.




Догадка Блэкетта, родившаяся в спорах с Буллардом, состояла в том, что геомагнетизм - следствие вращения Земли, поскольку на самом деле всякое массивное вращающееся тело должно порождать магнитное поле. Гипотеза эта обещала связать гравитацию с электромагнитными явлениями (а это делало ее вдвойне привлекательной) - а такая связь, по убеждению Эйнштейна, просто обязана была существовать. Блэкетт взялся зарегистрировать эффект в эксперименте с вращающимся немагнитным телом. Поскольку требовалось измерять гораздо меньшие магнитные поля, чем позволяла техника тех времен, Блэкетт разработал и сконструировал магнетометр с беспрецедентной чувствительностью. Университетская лаборатория для эксперимента не годилась: разнообразное оборудование создавало слишком сильные помехи, поэтому Блэкетт построил для своего прибора деревянное укрытие, скрепленное медными гвоздями, в поле рядом с радиообсерваторией Джодрелл-Бэнк (в графстве Чешир), которой руководил его приятель Бернард Лавелл. В своем деревянном укрытии Блэкетт установил бетонный блок с полостью в центре, покоящийся на подушке из мягкой резины, а в полости подвесил вращающееся тело. Благодаря его связям военных времен и тому обстоятельству, что страна ценила его заслуги, он сумел выпросить (на время) у Банка Англии достаточно золота, чтобы отлить из него цилиндр 10-сантиметрового диаметра и весом более 15 килограммов.

Блэкетт проделал измерения, но вращающийся цилиндр не создал вокруг себя никакого магнитного поля. Теория, следовало заключить, неверна. Впрочем, с технической точки зрения опыт был поставлен превосходно, и благодаря ему появился, к примеру, способ узнать, содержатся ли магнетики в отдельном минерале. А это, в свою очередь, открыло новую главу в геофизике: если измерять у камней остаточную намагниченность, то можно проследить, как двигалась земная кора на протяжении целых эпох.

Идею о пластичности коры высказал еще в XIX веке Джордж Дарвин, сын Чарльза Дарвина, который из-за этого поссорился с главой викторианской физики - Уильямом Томсоном, лордом Кельвином. Дарвин-старший подбадривал Дарвина-младшего: "Ура внутренностям Земли, - писал он сыну, - и их тягучести, и Луне, и всем телам небесным, и сыну моему Джорджу". Последствиями опыта Блэкетта, поставленного в шалаше рядом с обсерваторией Джодрелл-Бэнк, Чарльз Дарвин наверняка остался бы доволен.




Петр Леонидович Капица - русский физик, который сформировался как ученый в Кавендишской лаборатории, когда там еще царствовал Резерфорд. Капица прибыл в Кембридж совсем юношей: он только что окончил учебу в Москве и искал возможности поговорить с Резерфордом - для себя он уже решил, что будет работать у этого великого человека.




Резерфорд отказался рассматривать кандидатуру Капицы, так как в лаборатории итак уже было слишком много сотрудников. Внезапно юный русский спросил его:

-Сколько у вас аспирантов?
-Около тридцати.

Тогда Капица поинтересовался:

-А какая обычно точность у ваших экспериментов?
-Два-три процента.

Капица просиял:

-Вот и славно! Еще один аспирант вполне укладывается в пределы погрешности, и никто ничего даже не заметит.

Резерфорд ничего не смог возразить на столь остроумную просьбу. Вскоре Капица сделался его любимцем, он просто очаровал Резерфорда. Будучи штатным сотрудником Кавендишской лаборатории, Капица провел важные исследования по физике низких температур.

В 1934 году он, как обычно, поехал к семье в СССР. Обратно в Англию его уже не выпустили. Воззвания западных коллег и политиков к советскому правительству ничего не изменили. Капице заявили, что его долг - служить Советскому Союзу, а вовсе не Англии или международному сообществу, и организовали лабораторию в Москве. Резерфорд в конце концов признал свое поражение и отправил все оборудование Капицы в Москву.

Капица отличился тем, что в СССР решительно выступал в защиту своих коллег, которые вступали в конфликт со сталинским режимом, и, вероятно, многих из них спас от гибели в ГУЛАГе. Сталин явно питал слабость к этому смелому и решительному человеку, и оберегал его от коварного главы НКВД, Берии, который желал с ним расправиться. Тем не менее пять лет Капица провел под домашним арестом, занимаясь в меру возможностей наукой в лаборатории, которую соорудил своими силами в сарае и где ему помогал сын. Только в старости Капице разрешили выехать за границу, чтобы получить запоздалую Нобелевскую премию и заглянуть из сентиментальности в Кембридж.




Мало кто из великих ученых был еще и хорошим преподавателем. Невнятность публичных выступлений Нильса Бора вошла в легенды. Его друг Резерфорд блестяще говорил, однако когда дело доходило до алгебраических уравнений, начиналась полная неразбериха, при этом он не упускал случая пристыдить аудиторию: "Сидите тут олухи олухами, и никто не подскажет, где я ошибся". Другим, более подкованным в теории, математические выкладки давались слишком легко, и ошарашенным студентам оставалось только смотреть, разинув рты, как преподаватель резво перепрыгивает от формулы к формуле, минуя промежуточные шаги доказательства.

Норберт Винер (1894 - 1964) - мечтатель, выдающийся математик, прославившийся пионерскими работами по кибернетике (кстати, само слово "кибернетика" придумал именно он). Он был профессором Массачусетского технологического института, где его невероятные математические и аналитические способности, тщеславие и рассеянность породили множество легенд. Однажды (и тому были свидетели) он доказывал перед студентами какое-то математическое утверждение, и, перескакивая с одной логической глыбы на другую, ничего не объяснял. Когда кто-то из сбитых с толку слушателей спросил Винера, не может ли он повторить все чуть медленней, тот любезно согласился, затем замер, молча и неподвижно, и, простояв так перед доской несколько минут, с довольной улыбкой добавил завершающий штрих к последней строке.




Сэр Джозеф (Джи-Джи) Томсон в мемуарах описывает лекции своего манчестерского преподавателя, Осборна Рейнольдса (1842 - 1912), видного физика и инженера (имя которого носит число Рейнольдса, характеристика течения жидкости):

Иногда он начисто забывал, что ему предстоит читать лекцию, и, прождав минут десять или около того, мы отправляли к нему вахтера. Он вваливался в аудиторию, снимая форменную шинель прямо в дверях, хватал со стола том Ранкина (стандартный учебник тех времен) и распахивал его, как казалось, на случайной странице. Тут ему на глаза попадалась та или иная формула, и он заявлял, что она неверна. Затем он выходил к доске, намереваясь это доказать. Повернувшись к нам спиной, он что-то писал мелом, разговаривал сам с собой и раз за разом стирал написанное, говоря, что и это неверно. Затем он начинал все сначала. Обычно к концу лекции он заканчивал писать какую-нибудь одну длинную строку, которую на этот раз не стирал, и заявлял, что Ранкин все же прав, и эта строка - тому доказательство. Пусть это и не приносило нам новых знаний, но выглядело весьма увлекательно: мы могли наблюдать, как невероятно острый ум борется с новой задачей.




Сэр Артур Шустер, другой выпускник Манчестерского университета, так вспоминает лекции Рейнольдса:

Зачастую предмет, которому Осборн Рейнольдс посвящал лекцию, слишком его увлекал, а это создавало известные трудности. Рассказывают про несколько таких курьезов - но прежде всего обращают внимание на то, как он из них выкарабкивался. Однажды он объяснял ученикам принцип действия логарифмической линейки; держа ее в руках, он в подробностях излагал каждый шаг, который следует проделать, желая перемножить пару чисел. "Возьмем для примера три и четыре, - произнес он, и после небольшой паузы продолжил: - А вот и результат: трижды четыре будет 11,8". Студенты заулыбались. "И это примерно то, что нам нужно", - подытожил Рейнольдс.




Исидор Раби достиг научной зрелости в то время, когда в Германии активно развивалась новая область физики - волновая и квантовая механика. В 1926 году, когда Раби заканчивал свою диссертацию в Колумбийском университете в Нью-Йорке, то тут, то там, вспоминал он, словно вспыхивали фейерверки новых идей. Эрвину Шрёдингеру только что удалось объединить свою волновую механику с квантовой механикой Вернера Гейзенберга - поначалу казалось, что эти две теории никак не связаны, однако, как в конце концов показал Шрёдингер, это были просто разные математические формулировки одного и того же принципа. Метод Гейзенберга требовал знания новой математики, тогда как метод Шрёдингера, пусть и весьма сложный, мог быть понят любым достаточно образованным физиком.




Раби, как и его старшему и более опытному приятелю Ральфу Кронигу, подход Шрёдингера был ближе, и они вместе решили посмотреть, что из него следует. Если Шрёдингер рассчитал разрешенные энергетические состояния только для атомов, то Раби и Крониг желали испробовать новый метод на молекулах. Первым делом они взялись за молекулы, которые (по геометрическим соображениям) относят к так называемым симметрическим волчкам. Они сформулировали свою задачу в терминах Шрёдингера и обнаружили, что имеют дело с уравнением, какое им прежде не встречалось, и не знают, как его решить. Трое коллег, к которым они обратились за помощью, признали свое бессилие.

Раби любил спрятаться от обременительной каждодневной рутины в таком безмятежном и умиротворяющем месте, как библиотека. Он очень много тогда работал - читал лекции (25 часов в неделю) в Городском колледже Нью-Йорка, дописывал диссертацию, следил за последними достижениями в квантовой механике и вместе с Кронигом бился над их общей квантовомеханической задачей. Как-то он все-таки вырвался из этой суеты и теперь сидел в библиотеке и читал ради собственного удовольствия труды Карла Густава Якоба Якоби, знаменитого немецкого математика XIX столетия. Раби листал страницу за страницей, и вдруг ему почудилось, что одно уравнение подпрыгнуло на бумаге. "Боже мой! - подумал он. - Да это же то, что нам нужно!" Кроме того, оказалось, Якоби отыскал способ его решения. Стоило им воспользоваться - и мы получили ответ нашей нерешаемой задачи.

В итоге было показано, что молекулам типа симметрического волчка доступны только некоторые из возможных энергетических состояний. Этот результат перевернул всю молекулярную спектроскопию.




Сверхпроводимость, это удивительное свойство некоторых материалов терять электрическое сопротивление при определенных (очень низких) температурах, была открыта в 1911 году в Нидерландах Хайке Каммерлинг-Оннесом, его даже прозвали "господин Абсолютный Нуль". Каммерлинг-Оннес посвятил свою жизнь делу достижения низких температур и сумел сжижить гелий, точку кипения которого, как он обнаружил, от абсолютного нуля отделяют всего 4,2 градуса. Собственно абсолютный нуль, то есть температура, при которой движение молекул (в первом приближении) прекращается, - это -273,15 градуса Цельсия. Его обозначают как 0 К (ноль градусов Кельвина) и от этой точки отсчитывают абсолютные температуры.




Камерлинг-Оннес и его студенты в Лейдене решили посмотреть, как меняются электрические свойства различных веществ при снижении температуры вплоть до точки кипения гелия. Ожидалось, что сопротивление металлов будет уменьшаться, но результат ошеломил всех: где-то вблизи точки кипения гелия сопротивление падало скачком до ничтожно малой величины, которую приборы даже не могли измерить! По сути, сопротивление металлов становилось нулевым, и при такой температуре ток мог бы циркулировать по замкнутому контуру вечно. Физики ломали голову над этим феноменом большую часть XX века. Чтобы объяснить его, понадобилось не одно десятилетие упорного труда. Заодно начались поиски материалов, которые будут вести себя как сверхпроводники при более высоких температурах: технологические возможности, которые замаячили перед физиками, кружили головы...

Теория сверхпроводимости подготовила почву для целенаправленных поисков. В 1985 году двое ученых из Швейцарии изготовили металл-оксидный керамический материал, который становился сверхпроводником при температуре ниже отметки в 35 К. Публикация статьи с полученными результатами (которые в 1987 году принесли им Нобелевскую премию) спровоцировала бешеную гонку за материалами с еще более высокой критической температурой, и в гонку эту включились университетские и заводские лаборатории во всем мире. Всем ее участникам так хотелось прославиться, получить патент и разбогатеть!

Одним из самых решительных охотников за сверхпроводниками был Пол Чу, профессор физики в Университете Хьюстона. К 1987 году он со своими аспирантами уже изготовил и испытал огромное множество разных смесей. Наконец их старания увенчались успехом: найденный ими материал становится сверхпроводником уже при 90 К. Это был заметный шаг вперед.

Но тут возникла серьезная проблема: как опубликовать результаты и при этом не раскрыть перед конкурентами секрет состава? Срочные сообщения у физиков принято отправлять в журнал Physical Review Letters. Как и у других уважаемых журналов, здесь была в ходу система "рецензирования равными" (peer-review): другими словами, перед публикацией статью оценивали редактор и два рецензента - специалисты в той же области. Но в физике сверхпроводимости работало не так много ученых уровня Чу, и с большой вероятностью они могли бы оказаться его конкурентами. В мире науки считается, что воспользоваться еще не опубликованной статьей в своих целях - верх непорядочности для рецензента. Но тут ставки были как никогда высоки, и Чу серьезно рисковал. Он позвонил редактору журнала и спросил позволения опубликовать свое сообщение без явного описания сверхпроводника. Редактор, как и следовало ожидать, ему отказал, поэтому в журнал отправилась статья с исчерпывающим (как можно было решить) описанием вещества, которую, разумеется, приняли к публикации. Через короткое время Чу провел пресс-конференцию, где объявил об открытии, не выдавая состав материала, а Университет Хьюстона тем временем готовил заявку на патент.




Сообщество физиков тут же охватило волнение, и в лабораториях по всему миру терялись в догадках, из чего же состоит материал Чу. Фотография в журнале Time изображала Чу с куском зеленоватого вещества в руках. Зеленый цвет мог означать, что в нем присутствует никель, но это был ложный след. Распространился слух, что загадочный компонент - иттербий (элемент из числа лантанидов, или "редких земель" - группы металлов с довольно похожими свойствами). Но, как оказалось, и он подходит не лучше никеля. В рукописи, отправленной Чу в журнал, фигурировали только химические символы элементов - Yb, Ва, Сu, - но не их названия (иттербий, барий и медь). Повторить результат Чу и его ассистентов было просто, вот только в лабораториях, где это попробовали сделать, никакой сверхпроводимости обнаружено не было.

Так на поверхность всплыла весьма постыдная история.

Своим названием иттербий обязан "деревне четырех элементов" - это Иттербю в Швеции, где в конце XVIII века нашли неизвестную прежде рудную жилу. Минерал, которому дали название "иттербит", содержит, как выяснилось позже, целых четыре элемента: все чрезвычайно похожи друг на друга и принадлежат к семейству редкоземельных металлов. Их назвали иттербием, тербием, эрбием и иттрием. Символ иттрия - Y, а иттербия - Yb. В сверхпроводнике Чу содержался иттрий, а вовсе не иттербий, как можно было заключить из статьи. Когда возмущенные собратья-физики обвинили его в обмане, Чу заявил, что злого умысла в подмене не было. Просто-напросто его секретарша впечатала Yb вместо Y всюду, где упоминается элемент - случайность, и только. Более того, поскольку секретарша, перепечатывая статью, думала о чем-то своем, девичьем, а Чу не пришло в голову тщательно проверить рукопись, она ошиблась и в пропорции элементов. В последний день перед тем, как журнал должен был уйти в печать, Чу, просмотрев гранки, позвонил в редакцию, чтобы исправить опечатки. Кое-кто из физиков, когда их об этом спросили, признался, что на месте Чу тоже пошел бы на обман, чтобы защитить свои права на открытие. Другие были менее расположены к прощению. Но, однако, худшим из всего этого была утечка информации о неверном "рецепте" Чу: слухи о том, что иттрий подменили иттербием, разумеется, тоже разошлись еще до того, как статья вышла.

Кто был виноват в утечке - секретарша Чу или кто-нибудь из редакции Physical Review Letters, - так и осталось неизвестным, но мораль этой истории ясна: когда ставки высоки, люди охотно идут на сделку с совестью. Многим из охотников за высокотемпературной (пусть речь и шла про -183 град.Цельсия) сверхпроводимостью пришлось потом испытать горькое разочарование: иттербий, как оказалось позже, тоже способен образовывать высокотемпературный сверхпроводник, если только приготовить смесь правильным образом. Но особенно расстроилась одна группа исследователей - дело в том, что этим ученым удалось синтезировать "сверхпроводник Чу", но они не стали даже проверять его на сверхпроводимость, поскольку анализ структуры выявил ее гетерогенность, а это прежде считали признаком неудачного синтеза.




Вернер Гейзенберг (1901 - 1976) принадлежит к небольшой кучке теоретиков, устроивших в первой половине прошлого века настоящую революцию в физике. Он придумал математическое обоснование квантовой механики, когда ему было всего 20 с небольшим. Его научный руководитель в Мюнхенском университете, Арнольд Зоммерфельд, распознал в Гейзенберге гения и всячески способствовал его научной карьере. Когда пришло время защищать диссертацию, тот уже успел разрешить ряд чудовищно трудных теоретических проблем, однако его успехи в лабораторных делах впечатляли куда меньше.




Между двумя светилами Мюнхенского университета, Зоммерфельдом и профессором экспериментальной физики Вильгельмом Вином, издавна установилась некоторая напряженность. Вин решительно осуждал отношение Зоммерфельда к подготовке аспирантов, которое проще всего передать фразой "Пусть все идет как идет". Вин был весьма заслуженным ученым - в 1911 году он получил Нобелевскую премию за экспериментальное исследование излучения горячих тел, - однако, не будучи теоретиком, он с неодобрением наблюдал за развитием новых теорий, расшатывавших стройное здание классической физики. Перед аспирантом Гейзенбергом Вин поставил такую задачу: получить экспериментальный спектр ртути и описать линии, расщепляющиеся в магнитном поле (так называемый эффект Зеемана). Для этого Гейзенбергу выделили специальный прибор - интерферометр Фабри-Перо, инструмент для точного измерения длин световых волн. Как Гейзенберг утверждал впоследствии, он не знал, что можно воспользоваться оборудованием университетских мастерских, и пытался настроить прибор при помощи деревянных щепок от коробок с сигарами. Это вызвало гнев профессора, и Гейзенберг больше не скрывал, что предпочел бы заниматься исключительно теорией.

На устном экзамене на соискание докторской степени Гейзенберга ожидало возмездие. А как это было, он рассказал уже в конце жизни в интервью историку и философу науки Томасу Куну.

Сначала на экзамене все шло гладко, но затем вопросы начал задавать Вин: Хотя и следовало этим озаботиться, но, увы, я не уточнил кое-какие важные детали, касающиеся моей экспериментальной задачи. На экзамене Вин спросил меня про разрешающую способность интерферометра Фабри-Перо... Этого я никогда не знал. В ходе экзамена я попробовал, разумеется, вывести эту величину, но у меня было слишком мало времени. Вин разозлился и спросил про разрешающую способность микроскопа. Так как я не знал и этого, он поинтересовался разрешающей способностью телескопа, которую я тоже не знал.

Затем он потребовал рассказать, как работает свинцовая батарея. Тут я тоже был бессилен... Не знаю, намеревался ли он меня завалить, но, вероятно, потом у них с Зоммерфельдом состоялся непростой разговор.




То, как Гейзенберг выступил на экзамене, было, разумеется, чудовищным: на такие вопросы без труда ответил бы даже школьник, исправно посещающий уроки физики. Претендентам на докторскую степень в Германии тех лет выставляли общую оценку за их знания в области теоретической и экспериментальной физики, и поэтому Вину с Зоммерфельдом предстояло искать компромисс. В отчете Вина фигурировали такие выражения, как "бездна невежества", тогда как Зоммерфельд отозвался о своем любимце как о "неповторимом гении". Наивысшей оценкой была единица, а наинизшей - пятерка. Гейзенбергу поставили среднее арифметическое - тройку, минимальный проходной балл. История о том, как обошлись с Гейзенбергом на экзамене, изрядно повеселила физиков всего мира.

Враждебность Вина к Гейзенбергу не ослабла и спустя годы. В 1925 году, через два года после того памятного экзамена, Эрвин Шрёдингер выступал в Мюнхене с лекцией, где знакомил слушателей со своей волновой механикой; она, заявлял Шрёдингер, должна занять место квантовой механики Гейзенберга. В дискуссии, которая последовала за лекцией, Гейзенберг показал себя не в самом выгодном свете, и Вин, восхищаясь результатами Шрёдингера, грубо осудил "атомный мистицизм" Гейзенберга, и на этот раз даже Зоммерфельд ничего не сказал в защиту своего любимого ученика. Гейзенберг, разумеется, в конце концов одержал победу, хотя без проблем не обошлось.




Зоммерфельд хотел, чтобы Гейзенберг возглавил после него кафедру теоретической физики, и порекомендовал его кандидатуру университету. Однако когда нацисты пришли к власти, и Гейзенберг, и Зоммерфельд были объявлены "белыми евреями" - так называли арийцев, проповедовавших парадоксальные идеи новой физики, которая ассоциировалась с именами ученых-евреев - Эйнштейна, Паули и Борна. В те дни Ганс Бете, другой блестящий ученик Зоммерфельда (и тоже еврей), пришел на лекцию Зоммерфельда. Все начиналось как обычно: ученый поприветствовал собравшихся, а потом обернулся к доске. В полной тишине - вся аудитория замерла - Зоммерфельд увидел, что поперек доски кто-то нацарапал: "Проклятые жиды". В итоге кафедру Зоммерфельда передоверили партийным ничтожествам, и физика в университете медленно деградировала, пока туда годы спустя не вернулся Гейзенберг.

Во время войны Гейзенберг руководил немецким ядерным проектом. Его роль в работах по созданию немецкой атомной бомбы до сих пор вызывает дискуссии среди историков. В 1944 году Управление стратегических служб (на основе которого было создано ЦРУ) отправило агента по имени Мо Берг на лекцию Гейзенберга в Цюрихе (Швейцария, как известно, во время войны сохраняла нейтралитет). Берг был спортсменом, звездой бейсбола, знал немецкий (и еще несколько языков), а еще разбирался в физике. По содержанию лекции он должен был понять, сколь сильно продвинулась Германия в разработке атомной бомбы. В случае, если вывод оказался бы положительным, инструкция предписывала застрелить Гейзенберга. Берг просидел всю лекцию, сжимая пистолет в руке, но Гейзенберг благоразумно обошел эту тему стороной и таким образом счастливо избежал смерти.