Ирина Радунская - Кванты и музы

• Название: Кванты и музы
• Автор: Ирина Радунская
• Жанр: Физика

О встречах с людьми, которые участвовали или участвуют в творении новых центров кристаллизации открытий.

О встречах с идеями, сдвинувшими или готовыми сдвинуть с места застывшую глыбу неразрешённых проблем, развязавшими первый узелок в спутанном клубке противоречий.

О встречах со сбывшимися, нашумевшими открытиями и со скромными результатами, накапливающимися день за днём и вызывающими предчувствие грядущих перемен или надежду на взрыв прозрений.

Лишь о некоторых открытиях я попытаюсь рассказать в этой книге.

---

Все эти тончайшие манипуляции с микрочастицами придали вес французским экспериментам. Метод, теоретически и практически разработанный Абрагамом и Проктором, нашёл широкое применение в ядерной физике и вошёл в учебники и методические пособия.

Каково же было недоумение и даже возмущение специалистов, когда московские физики Ацаркин и Родак выдвинули возражения против этого замечательного метода. Какие основания? Что заставило их сомневаться? Оказывается, возражения основывались на анализе явления, который они провели, применив провоторовский подход, с таким успехом использованный ими ранее.

Ацаркин и Родак уже не могли опереться на представление о единой температуре, якобы характеризующей поведение всех частей атома, — представление, лежащее в основе метода Абрагама и Проктора. Теперь московские физики были убеждены, что теория, базирующаяся на идеях Провоторова, и опыт свидетельствуют о том, что такая единая температура устанавливается в веществе далеко не мгновенно. Нужно было заново проанализировать всё происходящее в опытах, отказавшись от устаревших догм. Нужно было решиться признать и необходимость новых математических методов для расчёта взаимодействия частиц с электромагнитными полями.

Предварительные оценки показали, что модель Абрагама — Проктора действительно не является полноценной основой для расчёта и получения поляризованных мишеней. Более того, она является лишь частным случаем, освоенным раньше других благодаря своей простоте.

Развитие теории и экспериментальные исследования проводились на этот раз практически параллельно, подкрепляя и дополняя друг друга. И закончились новым торжеством провоторовского подхода.

Оказалось, что новый метод позволяет достичь большей степени упорядоченности частиц мишени, чем это удавалось сделать раньше. Более того, можно успешно обеспечить поляризацию ядер даже в тех мишенях, в которых на основе метода Абрагама — Проктора получить это, казалось, совершенно невозможно. Так возник новый мост между «чистой» теорией и потребностями техники. Рассказанное можно считать внедрением нового круга идей в ядерной физике.

Но и этим не кончились прорывы в область слабых и труднонаблюдаемых эффектов! Основываясь на том же провоторовском подходе, Ацаркин понял, что, воздействуя на температуру отдельных групп частиц в парамагнитном кристалле, можно усилить сигналы о процессах, сведения о которых при обычных условиях терялись в шумах и поэто му не поддавались наблюдению.

К ним относятся, например, магнитные явления в парамагнитных веществах при низких частотах. Ацаркину вместе со студентом Рябушкиным удалось на опыте с электронами подтвердить значительное усиление таких слабых сигналов.

И снова перенесёмся в Казань, не только родину парамагнитного резонанса, но и его столицу, ибо здесь и после отъезда Завойского в Москву растёт, развивается мощная школа учёных, всесторонне исследующих физику парамагнитных явлений.

Наибольшим авторитетом среди них пользуются членкорреспондент АН СССР Козырев и профессор Альтшуллер, известные физики-теоретики, глубоко изучившие разнообразные проявления парамагнетизма.

Как ни странно это звучит для непосвящённого, но явление парамагнитного резонанса тесно смыкается с акустикой, учением о звуке. При этом возникает изящная цепочка, на одном конце которой находится генератор радиоволн, возбуждающий парамагнитный резонанс в кристалле, а на другом — приёмник ультразвуковых колебаний. Обнаружено, что при парамагнитном резонансе значительная часть энергии радиоволн, поглощаемых кристаллом, превращается в фононы — кванты звука. Возможна и другая ситуация, при которой на кристалл одновременно действует радиоволна и ультразвуковая волна. При этом явление парамагнитного резонанса сильно зависит от частоты и интенсивности ультразвуковых колебаний.

Но это не всё. Цепочка может протянуться и дальше. Ультразвуковые колебания, возникающие при парамагнитном резонансе, могут проявляться в изменении оптических свойств кристалла. Козырев, Альтшуллер и их сотрудники теоретически и экспериментально изучили интенсивное рассеяние света в парамагнитных кристаллах, показывающее, что такая цепочка взаимосвязанных явлений действительно существует. Много интересных работ, в которых объединя ются парамагнитный и акустический резонансы, выполнил, в частности, молодой казанский физик Голенищев-Кутузов.

Все эти взаимосвязи — не просто олицетворения изящества физического эксперимента. Главное — это указание на глубокое единство природы. Единство, о котором мы часто только догадываемся, не всегда ещё умея обнаружить его.

Иногда, когда речь заходит об оптическом спектре вещества, для облегчения понимания его сути популяризаторы прибегают к аналогии со спектром звуков музыкального аккорда. Мол, подобно тому, как звучащий аккорд посылает в пространство набор звуковых волн, светящееся тело излучает спектр электромагнитных волн разной частоты. При этом имеется в виду, что аналогия эта чисто формальная.

Не показывают ли опыты казанцев, что она более реальна, чем можно думать?

…Наука представляет собой чрезвычайно сложную структуру. Она не терпит застоя и всегда находится в развитии. Сейчас, в эпоху научно-технической революции, наука требует участия больших коллективов людей и привлечения огромных материальных средств. Та страна, которая сумеет лучше использовать свои ресурсы, получит соответствующее преимущество в мирном научно-техническом соревновании. Поэтому учёные и администраторы уделяют много внимания изучению законов развития науки и техники. В этом направлении делаются лишь первые шаги. Однако уже ясно, что развитие науки определяется множеством сложных факторов. Часть из них обусловлена внутренней логикой науки, многочисленными связями между отдельными направлениями и областями знания, законами человеческого мышления. Не менее важна та часть факторов, определяющих развитие науки, которая связана с потребностями людей, со стимулами, возникающими в сфере личного потребления и в ходе производственных процессов.

Не будет преувеличением мысль о том, что через канал потребностей мы с вами, каждый из нас в отдельности, даже тот, кто не участвует непосредственно в производстве материальных ценностей, оказываем влияние на развитие науки, на ход научно-технической революции.

Во многих случаях мы, может быть, и не непосредственно, но весьма настоятельно требуем применения и дальнейшего развития методов, основанных на явлениях, которые на первый взгляд кажутся любопытными только для специалистов, только для исследователей, профессионально интересующихся загадками природы. Пример — парамагнитный резонанс. Казалось бы, далёкая от жизни сфера? Однако все мы настоятельно заинтересованы в развитии и совершенствовании этого метода, в его освоении и применении.

В качестве примера возьмём область химии.

В химии, особенно органической, учёные и инженеры имеют дело с чрезвычайно сложными молекулами, состоящими из тысяч, а иногда из сотен тысяч атомов. Установить структуру этих молекул, изменять их строение и свойства в нужном направлении — задача не простая. Здесь могут помочь исследования парамагнитного резонанса, позволяющие весьма точно расшифровывать строение сложных молекул, определять расстояния между атомами и многое другое.

В геологической разведке, в космических исследованиях необходимо точно измерять слабые магнитные поля и их небольшие изменения в пространстве и во времени. Наиболее точными и чувствительными приборами, способными непрерывно регистрировать малейшие изменения магнитного поля, являются квантовые магнитометры, использующие парамагнитные свойства ядер атомов рубидия.

Одной из актуальных задач современности является передача электроэнергий от крупных электростанций к потребителям. При этом необходимо до минимума снизить потери энергии в линиях передач. Один из путей — использование сверхпроводящих кабелей. Но учёные, как мы уже знаем, ещё не могут создать материалы, обладающие сверхпроводимостью при температурах, превышающих 250°

Цельсия. В отдалённых мечтах — сверхпроводимость при комнатной температуре. Первая задача — создать сверхпроводник хотя бы при температуре жидкого азота (примерно 180° Цельсия). Для достижения этих целей нужно глубоко изучить законы сверхпроводимости, в том числе свойства вещества при самых низких температурах. Температуры, предельно близкие к абсолютному нулю, необходимы и для решения других важных задач, а получить их можно, используя парамагнитные свойства электронов и ядер.

В биологических и многих химических процессах играют большую роль особые активные осколки молекул, называемые свободными радикалами. Имеются подозрения, что некоторые из них канцерогенны, то есть способствуют развитию рака. Много свободных радикалов содержится в частицах дыма, образуется при обугливании органических веществ, например, их можно обнаружить в остатках подгоревших на сковороде продуктов. (Именно поэтому гигиенисты настоятельно рекомендуют не курить, не допускать подгорания пищи и тщательно мыть сковороды после каждого употребления.) Все свободные радикалы обладают электронным парамагнетизмом. Поэтому метод парамагнитного резонанса незаменим при их исследованиях, позволяя обнаруживать в ничтожных концентрациях.