Ирина Радунская - Проклятые вопросы

Целая серия усилителей со стерженьками, изготовленными из рубина и помещёнными в волновод специального типа — устройство для передачи сантиметровых радиоволн, была разработана и выпущена коллективом, руководимым В. Б. Штейншлейгером, членом-корреспондентом АН СССР, который активно участвовал в применении этих усилителей для радиоастрономических исследований.

В этих усилителях через волновод проходит радиоволна. Длина волновода выбирается так, чтобы она могла отдавать свою энергию рубину, возбуждая в нём способность к усилению. Эта способность используется для усиления второй радиоволны, тоже проходящей через этот волновод и взаимодействующей в нём с возбуждённым кристаллом рубина. Физики назвали усилитель этого типа усилителем бегущей волны. Участок волновода, содержащий рубиновые стержни, расположен между полюсами магнита. Изменяя силу магнитного поля, можно изменять настройку усилителя на радиоволны различной длины.

В непосредственном контакте с Прохоровым работал коллектив Института радиотехники и электроники АН СССР (ИРЭ). Здесь М. Е. Жаботинский и А. В. Францессон создали квантовые парамагнитные усилители нового типа, специально приспособленные для работы в дециметровом диапазоне волн. На волне, излучаемой космическим водородом, и на более длинных волнах они по всем основным характеристикам превзошли усилители лучших зарубежных моделей. Неудивительно, что коллектив исследователей и создателей новых усилителей, включающий сотрудников исследовательских организаций Академии наук и промышленности, был удостоен Государственной премии СССР.

Несомненно, что высокое совершенство квантовых усилителей Института радиотехники и электроники обусловлено тем, что их создатели, начав с фундаментальных исследований, довели их до практического применения при решении сложной комплексной задачи. Эта задача — радиолокация планет Венера, Марс, Юпитер — была успешно выполнена. Так возник особый раздел современной науки и техники, интересный и важный.

Когда возникла загадка парамагнитного резонанса, казалось, что разрешение её очень далеко от запросов жизни. Но выяснилось, что эта туманная научная тема вывела учёных на передний край проблематики наших дней, на прямую и точную дорогу в космос.

Естественно, это научило организаторов науки быть осторожными и более дальновидными в оценке далёких (на первый, взгляд) и мало перспективных (тоже на первый взгляд) увлечений исследователей.

Остановимся ещё на одном явлении, тоже загадочном, тоже долго сопротивлявшемся разглашению своих тайн, но наконец сдавшемся и подарившем своим покорителям не один сюрприз.

Теория предсказывала, что резонансное поглощение радиоволн должно быть связано с магнитными свойствами не только электронов, но и многих атомных ядер.

И хотя опыты с пучками атомов, летящих в пустоте, подтверждали предсказания теории, при наблюдении твёрдых тел и жидкостей никак не удавалось эти резонансы обнаружить. Здесь оказался бессилен и новый метод Завойского. Сколь ни плавно он изменял поле своего магнита, резонансы не появлялись.

Эта страница физики — одна из наиболее драматичных и поучительных. Она рассказывает о том, как обстоятельства иногда бывают сильнее самых сильных и смелых характеров, как теория, которая обычно является путеводной звездой эксперимента, может сбить его с правильного пути и завести в тупик.

И тут физикам-экспериментаторам приходится стать на неведомый путь, восстать против теории. Им надо опереться на свои силы.

Теоретики В. Г. Гайтлер и Э. Теллер сделали расчёт. Он имел поистине зловещий характер, и никто бы не удивился, если бы он отвадил физиков от постановки опытов. Результат гласил: чтобы зафиксировать ядерный резонанс, надо ждать… миллионы лет. Это звучало безнадёжно, и все, кто занимался такими исследованиями, прекратили их. Кроме Гортера. И кроме Завойского. Они продолжали искать ядерный резонанс. Гортер прошёл совсем близко от него, случайно не заметив. А Завойскому продолжать опыты в полную силу и сделать второе, не менее замечательное, чем электронный парамагнитный резонанс, открытие помешала война. Имей Завойский ещё немного времени для продолжения экспериментов и улучшения качества применяемого магнита, он убедился бы в существовании ядерного магнитного резонанса.

Вот что говорил об этом один из сотрудников Завойского профессор Б. М. Козырев: «Огорчительно рассказывать об этом теперь, после нигде не зафиксированных, а следовательно, совершенно недоказуемых наблюдений, и, разумеется, мы не претендуем на какое-нибудь утверждение приоритета этим плачевно-запоздалым рассказом; просто нам показалось небезынтересным, говоря о ходе одного крупного открытия — электронного парамагнитного резонанса, упомянуть о несостоявшемся другом, несомненно не менеё значительном. Почему же все-таки это открытие не состоялось? Дело в том, что Завойскому не удалось до начала войны добиться хорошей повторяемости результатов: эффект то появлялся, то исчезал. Теперь-то нам понятно, что главной причиной этого была топография постоянного магнитного поля, которое создавалось старомодным электромагнитом невысокого качества. Когда образец попадал в относительно более однородный участок поля, сигнал появлялся, а на участках менее однородных он уширялся настолько, что становился ненаблюдаемым. Имей Завойский ещё два-три месяца для экспериментов, он, без сомнения, нашёл бы причину плохой воспроизводимости результатов, и таким образом мы получили бы полную уверенность в реальном существовании магнитного поглощения в кристаллах. Но трудные условия военного времени не позволяли должным образом проводить опыты. Сообщению в печати о единичных наблюдениях ядерного магнитного резонанса на фоне частых неудач препятствовала вдобавок неполная уверенность в самой возможности этих наблюдений, вытекавшая из роковой для нас статьи Гайтлера и Теллера и неудачи Гортера.

Поэтому мы ограничились лишь осторожным намёком в статье, написанной в начале 1944 года, о проведённых нами методом сеточного тока измерениях нерезонансного электронного парамагнитного поглощения.

Мы писали там: “Принимая во внимание малую изученность парамагнитной абсорбции и имея, кроме того, в виду попытаться в дальнейшем измерить ядерные магнитные моменты, мы решили повторить упомянутые опыты Гортера…” Эта фраза осталась в печати единственным следом от нашей работы по ядерному магнитному резонансу…».

Нобелевскую премию за открытие ядерного магнитного резонанса получили американцы Ф. Блох, Е. Н. Пэрсел и Р. В. Паунд.

Как удалось им напасть на след капризного резонанса?

…Феликс Блох после работы вышел из душной лаборатории и залюбовался красотой уходящего зимнего дня. Шёл густой неторопливый снег. Снежинки ложились на землю непринуждённо и легко. Как говорил впоследствии Блох в своей нобелевской лекции, именно тогда ему пришла в голову неожиданная мысль: «А ведь в каждой снежинке — миллионы протонов! И они кружатся, покорные земному магнитному полю! Зачем же тратить силы, средства и время на создание специальных установок, обеспечивающих однородное магнитное поле? Ведь сама природа идёт нам навстречу: мы всю жизнь проводим в весьма однородном магнитном поле Земли. Надо лишь обеспечить условия, при которых в опыте это магнитное поле не искажалось кусками железа или магнитными полями, порождаемыми электрическими токами в окружающих проводах».

И Блох создал чрезвычайно простую установку. Ампула с небольшим количеством воды помещалась внутри проволочной катушки, соединённой с несложной радиосхемой. Через вторую катушку он пропускал постоянный электрический ток такой величины, чтобы в центре катушки, где помещалась ампула с водой, создавалось сильное магнитное поле. Оно заставляло протоны — ядра атомов водорода, составляющие две трети от всех ядер в воде, подобно маленьким магнитикам ориентироваться вдоль оси катушки.

Стоило Блоху выключить ток, как намагничивающее поле исчезало и протоны оказывались всецело во власти магнитного поля Земли. А оно заставляло их совершать принудительное движение, напоминающее движение волчка, ось которого описывает конус вокруг линии отвеса. Но в отличие от волчка линиями, вокруг которых по конусу двигались оси невидимых протонов, являлись линии магнитного поля Земли.

В то время как миллиарды и миллиарды протонов, содержащихся в воде, заключённой в колбочке, дружно совершали свой ритмический танец, безмерно слабое магнитное поле, связанное с собственным магнетизмом каждого из них, примерно 2,5 тысячи раз в секунду пересекало витки маленькой катушечки, возбуждая в ней переменный ток. При этом миллиарды миллиардов протонов вращались более согласованно, чем вальсирующие пары на танцевальной площадке, ибо одинаковым был не только ритм их вращения, но и фаза. Так вращаются пары в хороших ансамблях, руководимых опытными балетмейстерами: вот лицом к нам обращены все танцовщицы, а в следующий момент они обращены к нам спиной, и мы видим лица их партнёров.