Абрагам Анатоль. Время вспять

^[13]Хотя, как сказано выше, я сам не предпринимал этой "вагнеровской" работы, я позже изложил ее в более сжатой и, как мне кажется, более изящной форме в своей книге "Принципы ядерного магнетизма"; тут мы опять имеем дело с карликом, взобравшимся на плечи гиганта. Не я один был призван в Женеву для культурного общения с маэстро Феликсом, был доставлен и более тяжеловесный участник — Блох распорядился привезти в Женеву из Станфорда большой постоянный магнит весом в несколько тонн, специально предусмотренный для ЯМР высокого разрешения. С ним прибыли и два ученика Блоха, два здоровенных парня — Джим Арнольд и Уэстон Андерсон, которых я окрестил именами вагнеровских гигантов Фафнер и Фазольт; сам Блох был, конечно, ввиду его вагнеровской работы, властителем Вальхаллы — Вотаном. Мои отношения с этими молодцами, веселыми ребятами (в особенности Арнольдом) и прекрасными физиками (в особенности Андерсоном), были приятными и полезными. Едва приехав, они распаковали магнит, установили электронику и взялись за эксперименты. "Таким образом, в этом ЦЕРН'е будет хоть капля физики", — прокомментировал Блох. Впоследствии я не раз встречался с Андерсоном на конференциях ЯМР и один раз даже выступал в роли его сообщника (таких во Франции почему-то зовут баронами). Это дело было на заседании фарадеевского общества в Кембридже. По правилам общества доклады печатаются и отсылаются участникам заранее, каждому докладчику отпускается всего десять минут, чтобы показать лишь свои слайды. В одном из спектров ЯМР, которые Андерсон намеревался демонстрировать, была одна интересная деталь: две линии ЯМР, которые в первом приближении совпадали, слегка расщеплялись в приближении высшего порядка. Андерсон очень гордился тем, что ему удалось обнаружить экспериментально это расщепление, но ему не хватало времени, чтобы его объяснить. Во время дискуссии после доклада его барон, т. е. я, должен был задать наивный вопрос, почему на слайде видны две линии вместо одной? Я не прислушивался к докладу Андерсона, с которым был хорошо знаком, и по окончании его поднял руку и спросил, как было условлено: "На одном из ваших слайдов вы показали две линии там, где должна быть только одна. Объясните, пожалуйста". Андерсон покраснел и сказал при взрыве хохота: "Я не успел показать этот слайд". Главная польза, которую я извлек из пребывания в ЦЕРН'е с Блохом, заключалась в дискуссиях с ним, касавшихся моих идей о ядерной поляризации. Он посоветовал мне опубликовать их, что я и сделал в статье под названием "Эффект Оверхаузера в неметаллах" в "Physical Review". Блини, обыкновенно скупой на комплименты, назвал эту статью замечательно проницательной. Я расскажу более подробно об этой работе в следующей главе в связи с экспериментами, проведенными в моей лаборатории, так как я скоро заполучил собственную лабораторию. Во время моей второй поездки в Женеву мне предложили прочесть доклад в Женевском университете о возмущенных угловых корреляциях. Мы условились с Блохом, что доклад будет по-французски, на языке, который Блох понимал прекрасно. За две минуты до начала он вошел в аудиторию и сказал мне: "Было бы лучше, если бы вы говорили по-английски; здесь присутствуют Бор и Гейзенберг, которые хотели бы вас послушать." Думаю, что если бы ритору древней Греции вдруг сказали, что Зевс и Афина спустились с Олимпа на несколько минут, чтобы послушать его рассуждения, он чувствовал бы себя не лучше, чем я. Но все обошлось. Бор проспал, или, по крайней мере, казался спящим, во время большей части моей лекции, а Гейзенберг задал весьма тривиальный вопрос, на который Блох ответил сам. На следующий день Блох сообщил мне, что решил сложить с себя обязанности Генерального Директора и уехать обратно в Станфорд. Состоялось заседание Совета ЦЕРН'а (что и объясняло приезд в Женеву Бора и Гейзенберга), на котором Блох потребовал введения, наряду с его должностью должности административного директора, отвечающего за решения административного характера (с которыми Блох категорически отказывался иметь дело). Совет отказал ему в этом, считая, что именно на Генеральном Директоре лежит полная ответственность за все. Андерсон и Арнольд разобрали и упаковали магнит и электронику, успев, к счастью, довести до конца интересный опыт, и магнит отправился обратно в кругосветное путешествие. Поведение Блоха вызвало отрицательные комментарии, но только не у меня; нельзя требовать от арабского скакуна того же, что от битюга. После Женевы я часто виделся с Блохом. Лучше всего помню наши диспуты насчет понятия спиновой температуры, о которой будет речь в следующей главе. Блох не верил в это понятие, или скорее не видел в нем никакой пользы, в то время как я был противоположного мнения. После очень жаркого спора, в котором он постоянно меня перебивал, я не вытерпел и сказал ему: "Как я могу надеяться переубедить вас, когда вы просто не слушаете того, что я говорю. "К моему удивлению, он расхохотался: "Знаете ли вы, что точно то, что вы мне сейчас сказали, Эйнштейн говорил Борну во время их дискуссий о квантовой механике? Я всегда уважал Борна и готов играть его роль, но не боитесь ли вы, что мантия Эйнштейна тяжеловата для ваших плеч?" Добавлю, что впоследствии Блох убедился в разумности понятия спиновой температуры и стал одним из ее самых горячих защитников. В конце 1954 года (или, может быть, в начале 1955) Блох (Клод, а не Феликс), Мессиа, Трошри и я по своей собственной инициативе начали читать высшие курсы в Сакле, каждый по своей специальности. Мессиа читал курс квантовой механики, который впоследствии вырос в прекрасную книгу, Клод Блох — курс по теории ядерных реакций, а Трошри — о ядерных моделях. Я, конечно, выбрал магнитный резонанс, ЭПР и ЯМР. Другие коллеги последовали нашему примеру. Эрпин (Herpin) читал прекрасный курс классического магнетизма. Мы сами приготовляли записи лекций, а затем их размножали и раздавали нашим студентам. Я помню, что я очень настаивал на том, чтобы не раздавать их бесплатно. Я утверждал, что при отсутствии экзаменов (а их не было) плата, пусть символическая, необходима, чтобы студент отнесся к записям лекций серьезно; бесплатный курс, как листовку или рекламу, теряют или просто выбрасывают, не прочитав. Такого рода курсы в Сорбонне тогда еще не существовали, и наш пример, я полагаю, сыграл немалую роль в появлении в университетах пару лет спустя так называемого "третьего цикла" (troisiиme cycle). Мои слушатели включали всех сотрудников лаборатории Кастлера, в том числе самого Кастлера и Бросселя. В конце курса слушатели подарили мне записи моих лекций в роскошном кожаном переплете. Дебьес, который постоянно был в поисках рекламы для Сакле, сговорился с редакцией киножурнала о съемке наших лекций (по телевидению хроника тогда еще не передавалась). Жребий пал на мою лекцию. На лекции было около тридцати слушателей, что, учитывая предмет и уровень лекций, было совсем неплохо, но мест-то в аудитории было двести. Киношник, воздев руки к небу, заявил: "Я этого снимать не' стану". Дебьеса это не смутило. Он усадил в зал добровольцев, созвав лаборантов из всех химических и биологических лабораторий Сакле, и так как всего этого все равно было мало, одел в белые халаты уборщиц и даже дюжину молодцов из охраны. Видно, кровь Потемкина текла в его жилах. Но я хотел лабораторию. Мне было необходимо убедить власти КАЭ в полезности ЭПР и-ЯМР для развития работ по атомной энергии. С этой целью я сделал доклад в присутствии Перрена, Ивона, Герона, Дебьеса и других (которых не помню). Я перечислил все выгоды, которые ЭПР и ЯМР могли принести работам по атомной энергии: измерение с помощью ЯМР примесей тяжелой воды в обыкновенной воде и наоборот; с помощью ЭПР примесей урана-235 в естественном или обогащенном уране, исследования плутония, изучение с помощью ЭПР дефектов, производимых в материалах различными излучениями, к этому надо было добавить все применения ЯМР и ЭПР, интересовавшие химиков. Некоторые из применений были стандартными, другие — гипотетическими, чтобы не сказать сомнительными; но меня это мало беспокоило, так как я не рассчитывал терять время ни на одно из них. Чего я хотел, так это приобрести у американской фирмы Вариан (Varian) магнит, спектрометр с широкой полосой частот для ЯМР в твердых телах (в жидкостях твердо засели химики), клистрон, чтобы сконструировать самим спектрометр для ЭПР (готовые спектрометры для ЭПР тогда не продавали), нанять нескольких техников, и вместе с Соломоном и с Жаном Комбриссоном (Jean Combrisson), физиком на несколько лет старшим Соломона, который уже имел кое-какой опыт в ЭПР, начать проводить некоторые из экспериментов, о которых мечтал. От властей я получил согласие "в принципе" и задание представить смету и подробный план. Это было не так просто; у меня не было опыта, и я начинал с нуля. В советах и в информации, которые я смог собрать от окружающих, было мало толку и еще меньше практической пользы. Те редкие французские группы, которые занимались ЯМР, имели устарелое оборудование и, если можно так выразиться, устарелые идеи. Я с интересом выслушал мнение Бросселя, но его область была слишком далека от моей, чтобы я мог извлечь пользу из его совета. Информацию о ЯМР надо было искать в Америке, где он родился и развивался со скоростью, непревзойденной в других странах. Так я решил и так и сделал. Летом 1955 года я уехал в США. Моим первым этапом был Гарвард, где успехи моего "посланника" Соломона за предыдущий год превысили все мои надежды. Мне было бы приятно назвать его своим учеником, но это не соответствовало бы фактам. Хоть он и научился у меня кое-чему, он был, как и я, ничей ученик. В физике у меня была, несомненно, более широкая культура, я знал гораздо больше, чем он, я размышлял дольше, чем он, над проблемами, которые нас интересовали, и я умел объяснить и выразить свои мысли лучше, чем он, и, зачем скрывать, лучше, чем большинство моих коллег. Может быть, я повлиял на него больше, чем он на меня, но даже в этом я не уверен. Я старше его на четырнадцать лет, но обстоятельства сделали мой старт поздним, а его — ранним, что уменьшило разницу в годах и сблизило нас. Но Соломон был настоящим экспериментатором, который "сам и пушку заряжал", в то время как я, за редким исключением, довольствовался тем, что придумывал эксперименты, следил за их исполнением и истолковывал результаты. Объединяла нас также, кроме любви к физике, особая манера не принимать самого себя слишком всерьез, которая, я надеюсь, не покинула меня с возрастом, разными высокими назначениями и (в последние годы) "почестями", и никогда не оставляла его. (Академик с 1988 года, он все еще ходит в Академию без галстука.) Эксперимент, который он сам придумал, провел и истолковал в Гарварде, по-моему, самый красивый во всей его научной биографии, которая насчитывает немало красивых экспериментов. Летом 1955 года мы подготовили и провели в течение месяца поездку по лучшим лабораториям ЯМР США в поисках информации и вдохновения. Я не сохранил списка, но их было много. Кроме Гарварда и MIT главными были Рэтгерс, Белл Телефон, Дженерал Электрик, Чикаго, Иллинойс, Станфорд, Пало Альто и Беркли. Каждый вечер после осмотра, как бы ни был утомителен день, мы не ложились спать, пока не обсудили всего, что видели за день, и не записали подробно. В Пало Альто мы осмотрели лабораторию фирмы Вариан (Varian), главой которой был Паккард, один из трех, кто во главе с Блохом открыл ЯМР в Калифорнии. Паккард как глава технического отдела рассчитывал главным образом на продажу спектрометров ЯМР высокого разрешения, предназначенных для химиков, и которые поэтому нас мало интересовали, но которые для тех времен были техническим чудом. Он показал нам на экране спектр этилового спирта с его знаменитым триплетом трех групп протонов: метила, метилена и гидроксила. Он улучшил разрешение поворотом нескольких кнопок, и на экране появилась целая роща линий, следствие так называемой косвенной связи между разными группами спинов. Погордившись перед нами возможностями своего аппарата, Паккард сказал: "Пора вернуться к слабому разрешению с тремя линиями. Я ожидаю покупателей, двух представителей крупного химического завода из Техаса. Про три группы в спирте они знают и сутьтрех линий поймут. Но если я покажу им множество всех линий, это собьет их с толку, и они могут отказаться от покупки." Мы вернулись (я в Париж, а Соломон отправился еще на месяц в Кембридж) измученные, но довольные собой. Соломон был длинным, как жердь, с бесконечными ногами. Его угловатая физиономия порой освещалась очаровательной улыбкой. Как я уже говорил, он оставил меня в 1962 году, чтобы основать свою собственную лабораторию. Мы расстались друзьями и остались ими по сей день. Комбриссон — выпускник Школы Физики и Химии (той самой, которую окончил Жолио) — был знаком с техникой СВЧ 16, что предопределяло его занятие ЭПР в нашей будущей лаборатории. Рослый, спокойный и осмотрительный, он был человеком, на которого можно было положиться; что я и делал в течение пятнадцати лет, после чего он перешел работать с Горовицем. Итак, осенью 1955 года наша тройка была готова пуститься в путь, который для меня продлился ровно тридцать лет. Был старый американский фильм, называвшийся "Жизнь начинается в сорок лет". Это я и собирался испробовать. Ядерный магнетизм и я (Вторая золотая пятилетка)Лучше поздно, чем никогдаТеория и эксперимент. — *Динамическая ядерная поляризация в жидкостях. — Доктор Франкенштейн. — * Магнитометр. — *Спиновая температура. — *Динамическая ядерная поляризация в твердых телах. — БиблияЭтот пятилетний промежуток был, пожалуй, самым плодотворным в моей жизни. Я, конечно, не сделал никаких великих открытий, чего, очевидно, мне не было суждено, но у меня остались неплохие воспоминания кое о чем из того, что я тогда сделал. В общем три достижения я записал бы себе в кредит. Начиная с нуля, мне удалось создать лабораторию, которая пять лет спустя была известна специалистам магнитного резонанса всего мира, я открыл два или три интересных явления и написал книгу "Принципы ядерного магнетизма*, изданную в 1961 году, которая сразу имела замечательный успех, на которой воспитывались поколения научных работников и в которую заглядывают и сегодня, через тридцать лет после того, как я ее написал.16 СВЧ (в западной литературе микроволны) — сверхвысокие частоты (частоты порядка 1-100 Ггц или длины волн 30 см — 3 мм) — Примеч. ред. Все три достижения связаны между собой: если бы у меня не было определенных идей насчет этих двух или трех явлений, я, может быть, не боролся бы за собственную лабораторию; без идей и без талантливых сотрудников эти явления не были бы открыты, по крайней мере мною; без идей и без лаборатории я, наверное, не написал бы книги, и, если бы я не взялся ее писать, несколько весьма интересных экспериментов, подсказанных писанием книги, не были бы сделаны. Я забыл еще один, четвертый момент: вряд ли жизнь была когда-нибудь так занимательна, как в течение этих пяти лет. Исходной причиной этого успеха (предполагая, что успех был) была моя разносторонняя тренировка по ЭПР в Оксфорде и по ЯМР в Гарварде. К этому можно добавить все те знания, которые я беспорядочно приобретал в разных областях в течение многих лет. Многое из того, что казалось ненужным, оказалось полезным. Я не раз убеждался, что тому, кто стоит на гребне, разделяющем две долины, и смотрит вниз, происходящее в долинах виднее, чем тому, кто пашет на дне одной из долин. Мне кажется, этим объясняется успех нашей с Паундом работы, посвященной возмущенным угловым корреляциям, находившейся на границе между ядерной физикой и ядерным магнетизмом. Теоретик (потому что хоть и руководитель лаборатории, но все-таки я теоретик), имеющий в своем распоряжении лабораторию, в которой он может претворять в практику свои идеи, воистину счастливчик. При условии, что его лаборатория принадлежит к легкой науке (по-английски говорят большая и малая наука, Big Science and Little Science, но, потому ли что я бывший артиллерист, я предпочитаю выражение легкая и тяжелая), появившаяся вдруг идея может быть испытана очень скоро, иногда за неделю, иногда в тот же день. В первой главе "Русское детство" было уже сказано о "божественном сюрпризе увидать явление, предсказанное теорией, там, где оно было предсказано, и таковым, как предсказано". При проверке предсказанного может появиться неожиданное, и найти ему объяснение — еще более захватывающее дело.*Я помню один из первых экспериментов, которые мы сделали с Комбриссоном, наблюдая ЭПР мышьяка в кремнии (в том же кремнии, и даже в том же самом образце, одолженном мне Арни, на котором он сделал свое "открытие" стопроцентной ядерной поляризации). Так как ядерный спин мышьяка /=(3/2), сверхтонкая структура ЭПР должна была представлять собой (27+ 1) = 4 линии одинаковой интенсивности аналогично спектру меди, открытому Пенроузом на восемь лет раннее. Мы действительно увидели четыре линии, но те две, что в середине, были почти в два раза выше боковых, что было очень странным. Мне пришло в голову, что спины мышьяка не находились — в состоянии теплового равновесия, и я придумал механизм "косвенной" релаксации, благодаря которому вначале внутренние линии растут быстрее внешних. Если это действительно было так, то через достаточно длинный промежуток времени все четыре линии должны были прийти в равновесие и оказаться одинаковой высоты. Прождав четыре часа, мы с радостью убедились в правильности моей гипотезы. Гипотеза в те времена была смелой, потому что такие длинные времена релаксации в ЭПР были тогда неизвестны.*Я остановился на этом забавном, но маловажном явлении потому, что это был пример ситуации, с которой я встречался впервые — непосредственное участие в эксперименте. В поисках объяснения неожиданного явления встречаются разные "подводные камни". Объяснение может быть остроумным и соответствовать всем фактам и все же быть неверным. Например, как было рассказано в главе "Между Оксфордом и Кембриджем", Жолио истолковал треки позитронов в своей камере как треки электронов, движущихся в обратном направлении. Гораздо чаще встречается ситуация, когда новое явление на самом деле, как сказал генерал де Голль, "вульгарно и второстепенно" или, как более красочно выразился Раби, просто "швайнерай" (Schweinerei). В нашей лаборатории я вывесил плакат: "Перед тем как выбросить квантовую механику в мусорное ведро, проверим еще раз все предохранители". Сколько раз бывало, когда после мобилизации всей нашей эрудиции и находчивости в поисках рационального объяснения, мы убеждались, что имели дело с "швайнерай". Но бывает и наоборот, хотя гораздо реже. В тридцатых годах физики-ядерщики в Беркли избавились от паразитного раздражающего треска своих счетчиков с помощью тщательного экранирования, только чтобы убедиться, прочитав публикацию супругов Жолио, что они закрыли глаза (вернее, уши) и прозевали открытие искусственной радиоактивности. Я должен теперь хоть сделать намек на те два или три явления, открытием которых хвастался выше. Более подробно об этом сказано в "Reflections of a Physicist" и гораздо более подробно в "Принципах ядерного магнетизма". Однако читатель вообще может пропустить следующие параграфы, хоть я и постарался "встретить его на полпути".^Динамическая ядерная поляризация в жидкостяхВ предыдущей главе я говорил, что ядерная поляризация повышается с понижением температуры и наоборот. Чего я не сказал, так это того, что эти изменения не моментальны. Чтобы ядерные спины приобрели свою равновесную тепловую поляризацию, они должны быть некоторым образом "информированы" о температуре остальных степеней свободы образца, которые принято называть "решеткой". Механизм, осуществляющий эту информацию, называется спин-решеточной релаксацией, а постоянная, определяющая длительность этого процесса, есть время спин-решеточной релаксации, или Т\. Здесь я попрошу разрешения у читателя засорить "гордый ваш язык" варварскими терминами с английского. Единственное, что я могу сказать в свою защиту, это то, что наш гордый французский язык ими засорен не менее. Итак, благословясь, начнем. Переворот спина мы назовем флип. Одновременный переворот двух взаимодействующих спинов назовем флип-флоп: если они переворачиваются в противоположные направления; флип-флип, если они переворачиваются в одно и то же направление; флип-cmon, если только один из них переворачивается. Наконец, я нахально введу глаголы флипапгь, флопатъ, флип-флопать и флип-флипать (как хлопать), смысл которых очевиден. Под влиянием спин-решеточной релаксации спины флипают. В каждом таком флипе спин получает от решетки (или отдает ей) энергию, которая в частотных единицах равна резонансной, или, как говорят, ларморовской частоте спина Пп, пропорциональной его магнитному моменту. Равновесная ядерная поляризация определена отношением тепловой энергии кТ к энергии обмена с решеткой во время ядерного флипа. Эта энергия обычно равна ядерной ларморовской частоте Пп, но может быть отличной от нее, как это происходит в эффекте Оверхаузера. Все, что сказано до сих пор, применимо и к электронным спинам с той разницей, что магнитный момент электрона больше ядерного на три или четыре порядка, а значит, и энергия Пе электронного флипа соответственно превышает энергию ядерного флипа в том же отношении.