Ирина Радунская - Кванты и музы
Каждая хозяйка знает, что, вынув яйцо из только что остывшей маленькой кастрюльки, его нужно быстро положить на стол, иначе рискуешь обжечь руку. Внутренность яйца ещё долго остаётся горячей и вновь нагревает скорлупу, не охлаждаемую более водой.
Но в остывшем ведре всё яйцо, включая его внутреннюю часть, успеет остудиться практически до той же температуры, что и окружающая его вода. (Конечно, если подождать достаточно долго, то успеет охладиться и яйцо, лежащее в кастрюльке.)
Учёные, развивающие вплоть до начала 60-х годов теорию парамагнитной релаксации — так в учебниках именуется процесс размагничивания вещества, — единодушно исповедовали «ведёрную» модель явления: электроны и ядра внутри твёрдого тела ведут себя подобно яйцу в большом ведре. Взаимодействие всех частей сложной системы, именуемой веществом, происходит так, как между яйцом и водой в ведре: температура «яиц» и «воды» в любой момент времени практически совпадает.
И только молодой советский физик Провоторов обратил внимание на то, что это убеждение, по существу, ни на чём не основано. Он утверждал, что гораздо лучшей моделью могло бы послужить яйцо в маленькой кастрюльке. Не предположив, что температура в разных частях яйца различна, невозможно понять, как сваренное в маленькой кастрюльке яйцо может сохранить жидкий желток, окружённый твёрдым белком. Это небольшое на первый взгляд уточнение привело Провоторова к далеко идущим последствиям.
У него начала созревать теория, которая сегодня во всём мире называется провоторовской. Он же придал своей концепции безупречную математическую форму.
Однако случилось так, что его теория некоторое время напоминала чеховское ружьё, праздно висящее на стене. Большинство физиков не придало значения работам Провоторова, не усмотрело в них возможности получения новых результатов.
Никто не ожидал, что его «ружьё» может выстрелить.
Некоторые коллеги, те, которые обычно при появле нии незаурядных неопробированных работ презрительно говорят: «Это чушь», а потом, после их признания: «Это банально, это давно вытекает из моих работ», — критиковали Провоторова.
Мыслящие же более объективно говорили: да, это новая теория, и её новые усложнённые уравнения хорошо описывают известные явления, но и старая теория описывает их достаточно точно. Зачем же усложнять?
А были и такие, кто просто не понял, что к чему. Некоторые не понимают и по сей день. Физики приводят такой курьёзный пример. В 1961 году в Москве была организована французская выставка с научной экспозицией. Она сопровождалась пояснениями и лекциями французских учёных. Одну из них читал видный специалист по ядерному магнетизму Анатоль Абрагам.
В своей области Абрагам — авторитет, и послушать его пришли многие советские специалисты, работающие над теми же проблемами.
Был там и Провоторов и подарил Абрагаму одну из своих статей. Он ждал, что же скажет ему старший коллега? Но коллега ничего не сказал и, как потом признался, не мог ничего сказать. Он не понял.
Даже после того, как Провоторов защитил докторскую диссертацию, написал несколько статей и его теория стала популярной, многие ещё спрашивали: «А зачем это нужно?»
Неизвестно, как долго продолжалось бы такое положение, если бы провоторовские идеи не привлекли внимания молодой женщины-физика Май Родак.
Отношение ко всем жизненным проблемам у Май всегда было серьёзным и решительным. Так повелось ещё с военной юности.
После двух курсов одесского физфака она ушла на фронт. Сначала ушёл в ополчение отец, подала заявление в военкомат мать. Май ждала своей очереди. Ещё до войны сдала комплекс ВС-2 — ворошиловский стрелок… Ожидая ответа военкомата, училась на курсах медсестёр. Но меди цину не любила и выпросила назначение в зенитную артиллерию. Так она попала в самое пекло — под Сталинград.
Потом — МГУ, после окончания — шесть лет преподавания и, наконец, научная работа в Институте радиотехники и электроники (ИРЭ) Академии наук СССР. Здесь включилась в одну из самых интересных тем современной физики: создание квантовых парамагнитных усилителей — мазеров.
Не будем обсуждать вопрос, может ли женщина быть хорошим физиком: об этом рядили более чем достаточно. Не будем снова ссылаться на Ковалевскую, обеих Кюри, Мейтнер, Курносову, Масевич, Ирисову — их имена неотделимы от истории науки. Наверно, Родак — серьёзный теоретик, если добрая половина выступавших на черновицкой ассамблее в своих докладах упоминала её работы, ссылалась на её авторитет. Коллеги окружали её в перерывах плотным кольцом.
Её теория, ставшая развитием провоторовской, ещё очень нова, ещё так животрепещуща, что в неё «входят», как в ледяную воду, — с опаской, но с надеждой на освежение, на обновление идей, научных взглядов.
Продумывая детали провоторовской точки зрения на свойства целого класса веществ, называемых парамагнитными, Родак почувствовала, что в этом подходе таятся возможности, намного более серьёзные, чем обещанные общепризнанными теориями ученика Гортера — Блумберхена и лауреатов Нобелевской премии Парсела и Паунда. Теориями, прочно вошедшими во все учебники.
Исследуя парамагнитные вещества при помощи радиоволн, учёные наблюдают результат поглощения атомами или ионами сравнительно слабых радиоволн, испускаемых маломощными источниками. Конечно, приборы регистрируют не единичные акты, при которых отдельный ион или атом поглощает квант электромагнитной энергии — фотон радиодиапазона, а суммарный эффект, складывающийся из множества таких актов.
Если в ходе опыта изменяется не мощность, а только длина волны, воздействующей на вещество, то на экране осциллографа или на ленте самописца возникает кривая, отображающая зависимость величины (или степени) поглощения от длины волны. Это уже знакомая нам спектральная линия, расположенная в диапазоне радиоволн.
Обычно форма спектральной линии симметрична, она выглядит одинаково по обе стороны от вершины, спускаясь от неё плавными крыльями. Она похожа на равносклонную горку…
Все это — от момента облучения вещества радиоволной до появления спектральной линии, соответствующей этому опыту, — совсем недавно считалось непротиворечивым, безапелляционным, доказанным всеми опытами и теориями парамагнитных явлений.
Май Родак сломала эту красивую горку и вместо неё нарисовала довольно странную асимметричную кривую. И на протесты упрямо отвечала, что именно такая горка соответствует истинному положению вещей в парамагнитных веществах.
Проследим же за ходом её рассуждений. Всё началось с того, что она решила вернуться к вопросу о том, что произойдёт, если увеличить мощность источника радиоволн. Учебники, исходя из общепризнанной теории Блумберхена, отвечали: по мере увеличения мощности ширина кривой, изображающей спектральную линию, будет увеличиваться, а её высота — уменьшаться до тех пор, пока при достаточно большой мощности кривая не исчезнет. Здесь не было ничего страшного. Это явление называется насыщением. Вещество насыщается радиоволной — так предсказывала теория.
Теория же предсказывала ещё один, удивительный эффект.
Пусть кроме маломощного генератора радиоволн, длина волны которого изменяется для наблюдения за спектральной линией, на вещество действует второй генератор. И пусть длина волны его во время опыта остаётся постоянной, а мощность изменяется. Что станет с наблюдаемой спектральной линией по мере увеличения мощности второго генератора, если длина его волны расположена в пределах спектральной линии?
Теория отвечала: спектральная линия будет насыщаться. По мере увеличения мощности второго генератора её ширина будет расти, а высота уменьшаться, пока она не исчезнет совсем. Об этом мы уже знаем. Для учёных это явление было непреложной и доказанной истиной. Так, говорила теория, будет всегда, если длина волны второго генератора останется в пределах спектральной линии.
Всё казалось столь ясным, что никто не проделал соответствующего опыта! Такова психологическая сила общепризнанной теории.
Родак усомнилась. Она знала, что процессы передачи энергии между частицами вещества сложнее, чем предполагалось при построении общепризнанной теории. (Вспомним о нашем мысленном опыте: яйцо в маленькой кастрюльке остывает иначе, чем в ведре. Изменения температуры яйца могут отставать от изменений температуры воды!) Мощный генератор нагревает вещество. Его энергия, поглощённая парамагнитными частицами, постепенно распределяется между всеми частицами вещества. Если следовать Провоторову, нужно выяснить: не возникнет ли и здесь отставание температуры одних групп частиц от температуры других групп частиц?
Родак занялась расчётами. Её предположения подтвердились. Формулы показали, что результаты опыта должны напоминать поведение яйца в кастрюльке, а не в ведре. Температура различных частиц в парамагнитном веществе может различаться. Родак приняла эту революционную, расходящуюся с учебниками позицию и свежим взглядом оглядела «поле боя»: взаимодействие радиоволн с парамагнитными частицами. И ей открылось то, что для других исследователей казалось невероятным. Прежде всего, форма спектральной линии в опыте, не поставленном никем, должна исказиться! Более того, при некоторых условиях поглощение слабого сигнала первого (перестраиваемого) генератора должно в веществе смениться усилением его сигнала! Это казалось крамолой, но так получалось, и из этого вытекали поразительные следствия — возможность создания нового чувствительного механизма усиления радиоволн!