Валерий Чолаков - Нобелевские премии. Ученые и открытия
В 1933 г. Отто Штерн вместе с Отто Фришем в опытах, проведенных в Гамбургском университете, впервые измерили магнитный момент протона в молекуле водорода, пропуская поток молекул через магнитное поле. Однако их метод был довольно груб, и для получения более точных результатов нуждался в усовершенствовании. Это и осуществил в 1937 г. Изидор Айзек Раби, работавший в Колумбийском университете. Для определения ядерных магнитных моментов он использовал разработанный им метод магнитного резонанса атомных ядер в молекулярных пучках, действуя на них одновременно магнитным полем и высокочастотным излучением. Это позволило во сто крат увеличить точность измерений.
Исследования магнитных свойств атомов имели важное значение для изучения их структуры. За развитие молекулярно-лучевого метода и открытие магнитного момента протона Отто Штерн получил в 1943 г. Нобелевскую премию по физике. В 1944 г. Нобелевской премии был удостоен Изидор Раби — за разработку метода магнитного резонанса в молекулярных пучках и исследование магнитных свойств в атомах ядер.
В 1946 г. швейцарец Феликс Блох, работавший в Станфордском университете, и американец Эдвард Миле Парселл из Гарвардского университета независимо друг от друга создали точные методы измерения магнитных моментов ядер и элементарных частиц. Магнитное поле ядра примерно в тысячу раз меньше магнитного поля электрона, поэтому для его исследования требовалась исключительно чувствительная аппаратура. В экспериментах Раби были измерены магнитные моменты протона, дейтрона и некоторых других легких атомных ядер. Были получены очень точные результаты, достигнутые, однако, ценой большой сложности опытной установки. Взаимодействие магнитных моментов ядер с высокочастотным излучением исследовалось по отклонению пучков молекул в магнитном поле.
Метод ядерного магнитного резонанса, предложенный Парселлом и Блохом, позволял исследовать вещество в любом состоянии: в твердом, жидком и газообразном. Взаимодействие ядерных моментов с высокочастотным полем наблюдается как магнитный эффект, который легко регистрируется аппаратурой. Короче говоря, при этом измеряется поглощение энергии радиочастотного поля или определяется электромагнитная индукция в образце.
Ядерный магнитный резонанс оказался сравнительно легко реализуемым методом исследования магнитных моментов ядра. После того как он впервые был применен в 1946 г., им стали широко пользоваться для изучения изотопов химических элементов. Дальнейшее усовершенствование метода дало возможность исследовать строение электронных оболочек атомов и молекул и на этой основе — структуру вещества. Метод исследования, созданный Фелликсом Блохом и Эдвардом Парселлом, нашел широкое применение в современной науке и принес этим двум ученым в 1952 г. Нобелевскую премию по физике.
В 1947 г. два молодых физика из лаборатории Изидора Раби сделали важные открытия, касающиеся воздействия электромагнитного поля на электроны в атоме. Поликарп Каш занимался исследованием магнитного момента электрона, а Уиллис Юджин Лэмб изучал тонкую структуру спектра водорода. Их исследования сыграли большую роль в окончательном становлении квантовой электродинамики, основы которой заложили Ричард Фейнман, Джулиус Швингер и Синьитиро Томонага — лауреаты Нобелевской премии 1965 г.
Результаты спектральных исследований Уиллиса Лэмба показали, что электрон в атоме водорода не движется точно по орбитам, предписанным теорией. Он как будто непрерывно колеблется, отклоняясь то в одну, то в другую сторону. Согласно квантовой электродинамике, этот эффект обусловлен взаимодействием между электроном и вакуумом.
В современной физике все более утверждается мнение, что вакуум — это отнюдь не «пустота», вакуум имеет свою микроструктуру. Так, под действием электромагнитного поля в вакууме непрерывно происходит процесс рождения и аннигиляции электрон-позитронных пар. Именно эти так называемые виртуальные частицы нарушают движение электрона по орбите, что и обнаруживается по спектральным линиям излучения.
В опытах Поликарпа Каша с использованием метода молекулярных пучков определялось отношение магнитного момента протона к орбитальному магнитному моменту электрона в атоме водорода. Оказалось, что магнитный момент электрона больше, чем это следовало из теории Дирака. Как и результаты Лэмба, это объяснялось тем, что электрон не является «голым», а окружен виртуальными частицами-призраками, рождающимися в вакууме.
Точнейшие исследования, проведенные в конце 40-х годов, приоткрыли завесу и над тайнами других, более фундаментальных свойств материи, поставив принципиальный вопрос о структуре вакуума и вообще о существовании «абсолютного» вакуума. В последнее время стали даже поговаривать о возврате к представлениям об эфире, столь распространенным вплоть до конца XIX в., но, разумеется, на качественно новом уровне. Большой научный вклад Уиллиса Лэмба и Поликарпа Каша довольно скоро получил и официальное признание — в 1955 г. они были удостоены Нобелевской премии по физике.
Туннельный эффект
Согласно представлениям классической физики, чтобы перейти из одного энергетического состояния в другое, частица должна преодолеть так называемый потенциальный барьер, т. е. должна обладать достаточной. энергией, чтобы «оторваться» от системы, в которой находится. Однако в странном мире квантовых явлений частицы свободны от. этих ограничений. Они как бы используют некий «туннель», который позволяет им проникать через потенциальный барьер. Это довольно странное на первый взгляд явление вытекает из принципа неопределенности Гейзенберга.
Рассмотрим в качестве примера альфа-частицу. Она состоит из двух протонов и двух нейтронов, находящихся в атомном ядре. Если альфа-частица получает достаточно большую энергию, то она, преодолев ядерные силы, покидает ядро — тогда-то и наблюдается альфа-излучение. Однако, как указывает соотношение неопределенностей, обычно невозможно одновременно определить координату и импульс микрочастицы. Этим и объясняется следующее парадоксальное явление: частицы с энергией меньшей, чем необходимо для преодоления потенциального барьера, могут пройти сквозь него.
Представление о туннельном эффекте было применено для объяснения не только альфа-распада, но и ряда других явлений. В 1957 г. японский физик Лео Эсаки, работавший в компании «Сони», открыл экспериментально подобный эффект у полупроводников и создал первый туннельный диод. В те годы исследование туннельного эффекта было новостью в науке, и им занимались многие ученые.
В 1960 г. норвежский физик Айвар Джайевер из «Дженерал, электрик» провел первые наблюдения туннельного эффекта в сверхпроводниках, в которых электроны туннелировали из одного сверхпроводника в другой, и изучил закономерности этого явления. Он, в частности, высказал мысль о возможности использования туннельного эффекта для измерения температуры. В 1962 г. английский физик Брайан Джозефсон, лишь два года назад закончивший Кембриджский университет, предсказал новый вид туннелирования, который действительно вскоре был открыт; он получил название «эффект Джозефсона».
Этот эффект наблюдается при протекании сверхпроводящего тока через очень тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника (так называемый контакт Джозефсона). Если ток через контакт Джозефсона не превышает определенного значения, то падение напряжения на контакте отсутствует (так называемый стационарный эффект Джозефсона). Если же через контакт протекает ток больше критического, то возникает падение напряжения и контакт, излучает высокочастотные электромагнитные волны. Это нестационарный эффект Джозефсона, который был открыт в 1965 г. Джайевером.
Туннельный эффект дал возможность поставить различные точные эксперименты и построить высокочувствительные приборы для физических исследований. Кроме чисто научного интереса этот эффект в последние годы приобретает широкое практическое значение.
Трое ученых, внесших наибольший вклад в эти исследования, Лео Эсаки, Айвар Джайевер и Брайан Джозефсон, были удостоены в 1973 г. Нобелевской премии по физике.
Технические достижения
Альфред Нобель, инженер, связанный прежде всего с практикой, несомненно, хорошо знал, что он имел в виду, когда написал в своем завещании о награждении за открытия, приносящие наибольшую пользу человечеству. Однако уже с самого начала Нобелевские комитеты стали трактовать эту формулировку более широко. Тем не менее были случаи, когда исследования приводили к открытиям и разработкам, которые в буквальном смысле соответствуют формулировке Нобеля.
К числу таких чисто инженерных работ относится автоматическое устройство для зажигания и гашения морских маяков, созданное шведским инженером Иильсом Густавом Даленом. Действие устройства основано на использовании эффекта теплового расширения металлов. После захода солнца механическая конструкция охлаждается и приводится в действие, включая маяк. Для побережья Швеции, с его многочисленными островами и заливами, такое устройство чрезвычайно важно. Оно позволило построить множество маяков, работающих автоматически и не нуждающихся в обслуживающем персонале.
