Ирина Радунская - Проклятые вопросы

• Название: Проклятые вопросы
• Автор: Ирина Радунская
• Издательство: Московские учебники
• Жанр: Физика
• Год: 2005
• ISBN: ISBN 5-7853-?????????

В науке, как и в искусстве, есть ряд вопросов, вечных вопросов, над которыми бьются поколения учёных. Они называют их проклятыми вопросами. Познаваем ли мир? Может ли разум овладеть секретами природы? Что есть истина? Можно ли запланировать открытия? Как стимулировать в человеке творческое начало? Что усиливает творческую отдачу?

В книге Ирины Радунской «Проклятые вопросы» читатель встретится с разнообразными научными проблемами. Узнает, как возникли многие новые науки и насколько углубились и расширились рамки старых; как меняются аспекты и задачи ядерной физики и космологии, физики элементарных частиц и лазерной техники, нелинейной оптики и спектрального анализа; какие перемены в нашу жизнь внесут высокотемпературные сверхпроводники; что за секреты скрываются в недрах сверхновых звёзд; как влияют достижения физики ядерного магнитного резонанса на прогресс медицины.

А главное, читатель узнает, как учёные приходят к открытиям, какой ценой достаются прозрения тайн природы.

В этой книге, как в своих прежних книгах «Безумные идеи», «Превращения гиперболоида инженера Гарина», «Крушение парадоксов», «Кванты и музы», «Аксель Берг — человек XX века», трилогии «Предчувствия и свершения» — («Великие ошибки», «Призраки», «Единство») и «Квинтэссенция», автор рассказывает о развитии идей, о перипетиях индивидуального и коллективного творчества учёных. О какой бы области науки ни велась речь, основное внимание сосредоточено на героическом, напряжённом труде физиков, математиков, астрономов, космологов, астрофизиков, труде, который во все времена служил фундаментом прогресса человечества, основой цивилизации, источником наших знаний об окружающем мире, инструментом дальнейшего совершенствования человеческого разума.

---

Гиавер и Фишер начали изучать процесс перехода электронов через энергетический барьер. Это была трудная задача. Первые опыты кончились неудачей. Но «в конце концов мы оба понимали кое-что в технике».

Они попытались реализовать энергетический барьер при помощи тончайшей полимерной плёнки, разделяющей два металла. «Однако в таких плёнках неизбежно имеются маленькие дырочки…» Эти микроскопические, но реальные туннели препятствовали опытам. Друзья решили изготавливать изолирующие плёнки, испаряя металлы в вакууме и конденсируя их пары на удобных подложках. Нанеся первый слой, они окисляли его поверхность. При этом возникал тонкий изолирующий слой окисла. Затем напыливали второй слой металла. Теперь опыты стали воспроизводимыми. Всё шло согласно квантовой теории, с которой Гиавер уже познакомился. Он знал, что электроны иногда ведут себя не как частицы, а как волны, и свыкся с тем, что они способны проходить сквозь энергетический барьер.

Дни шли за днями, заполненными увлекательными опытами.

«В то время мне казалось странным, — вспоминал Гиавер, — получать зарплату, занимаясь тем, что я считал просто забавой, и совесть моя была неспокойна. Но, как и в случае с изучением квантовой механики, вы постепенно привыкаете, так что теперь я отстаиваю противоположную точку зрения: мы не должны жалеть денег на то, чтобы люди занимались чистыми исследованиями».

Продолжая эксперименты, Гиавер изучал физику и дошёл до сверхпроводимости.

«Ясное дело, — сказал он, — я не поверил, что сопротивление падает в точности до нуля, но что действительно привлекло мое внимание, так это упоминание об энергетической щели в сверхпроводнике. Эта щель была одним из центральных пунктов новой теории Бардина, Купера, Шриффера».

Энергетическая щель, о которой говорил Гиавер, это частный случай энергетического барьера. В металлах энергетической щелью называют разность между энергией электронов, остающихся в составе атомов (точнее, в составе ионов), образующих решётку металла, и энергией, присущей электронам, участвующим в образовании электрического тока сквозь этот металл. Энергетическая щель — это совокупность значений энергии, которую не может иметь ни один электрон в металле. Поэтому, увеличивая энергию электрона, невозможно плавно перевести его через энергетическую щель. Но в соответствии с квантовыми закономерностями он может преодолеть энергетическую щель посредством туннельного перехода.

«Я никогда не делал экспериментов, где бы требовались низкие температуры и жидкий гелий — они казались мне чересчур сложными. Однако, — продолжал Гиавер, — чем хорошо работать в большой лаборатории?.. Вокруг вас всегда имеются люди, хорошо осведомлённые почти в любой области».

Гиавер изготовил плёнку из алюминия, дал её поверхности окислиться, нанёс на неё плёнку свинца, а затем прикрепил к обеим плёнкам тонкие проводники.

Пройдя по коридору, чтобы посоветоваться с У. де Сорба, Гиавер сделал небольшую установку для работы с жидким гелием, поместил в неё свои плёнки, вывел проводники наружу и залил в установку жидкий гелий. Вспомним, что температура жидкого гелия равна 4,2 К. Неудивительно, что плёнка свинца стала сверхпроводящей. Ведь она становится сверхпроводящей уже при более высокой температуре +7,2 К. Плёнка алюминия осталась в обычном состоянии, так как алюминий становится сверхпроводником при более низкой температуре –1,2 К.

После ряда неудачных попыток (плёнки окисла получались слишком толстыми) ему удалось достигнуть успеха — создать плёнки толщиной в 30*10-6 сантиметров. При этом уже можно было надеяться зафиксировать прохождение электронов сквозь энергетический барьер.

Вот что говорит учёный о своей работе: «Для меня самый волнующий момент в любом эксперименте наступает как раз перед тем, как я должен узнать, является ли определённая идея правильной или нет? Таким образом, даже неудача волнует, и должен сознаться, что большинство моих идей были, конечно, неправильными. Но на этот раз идея работала! Это было потрясающе! Я немедленно повторил свой опыт с другим образцом — тот же результат! Ещё один образец — и опять тот же результат! Всё говорило о том, что я прав! Но как убедиться окончательно?»

Следовало проверить, как влияет на результат магнитное поле. Гиавер знал, что сильное магнитное поле разрушает сверхпроводимость. Теперь он прошёл через всё здание, чтобы прибегнуть к помощи И. Жакобса, изучавшего магнетизм при низких температурах. В магнитном поле, превышающем 2400 гаусс, эффект исчезал.

Чем ещё хорошо работать в большом коллективе? — продолжим мысль Гиавера. Кто-нибудь объяснит тебе, что же ты сделал. И на этот раз нашёлся сотрудник — Ч. Бин, который объяснил Гиаверу всё значение его экспериментов. И распространил это по всей лаборатории.

«Помню, меня беспокоил тот факт, что величина щели, которую я измерил, не совсем согласовывалась с более ранними измерениями. Бин успокоил меня, сказав, что отныне другие люди должны будут беспокоиться о том, чтобы их измерения согласовывались с моими, что мой эксперимент станет эталоном, — я был польщён и впервые почувствовал себя физиком».

Обдумывая свои опыты, Гиавер пришёл к выводу, что туннельный переход между двумя сверхпроводниками должен обладать ещё более интересными свойствами.

Теперь ему пришлось перейти в соседнее здание, где работали при ещё более низких температурах. Там он восстановил старую установку, заброшенную, когда появились более совершенные. Она была вполне пригодна для его целей.

Идея сработала сразу. Как только при температуре 1,2 К превратился в сверхпроводник не только свинец, но и алюминий, стало ясно, что при этой температуре комбинация «сверхпроводник — диэлектрик — сверхпроводник» может служить основой для создания электронных устройств.

Гиавер продолжал интенсивно работать, привлекая к экспериментам то одного, то другого сотрудника.

После многих экспериментов, подтверждавших теорию Бардина, Купера и Шриффера, возникло неожиданное явление. На кривой (на экспериментальном графике) появились изгибы, не совместимые с этой теорией.

«Мы были счастливы потому, что всё, что давали до сих пор туннельные эксперименты, полностью подтверждало теорию БКШ (так физики для краткости называют теорию Бардина, Купера и Шриффера. — И. Р.), а это совсем не то, что хотелось бы экспериментатору. Всякий экспериментатор мечтает показать, что общепризнанная теория неправильна, и в данном случае мы попали-таки в слабое место теории… Однако, как это часто случается, теоретики обратили наши результаты против нас. Они ловко использовали наличие изгибов на кривых, соответствующим образом обобщили теорию и доказали, что теория БКШ в действительности является правильной».

Любовь к переменам не изменила Гиаверу и на сей раз. Посчитав, что туннелирование в сверхпроводниках понято в основной своей части, Гиавер заскучал и перешёл к другим исследованиям.

«Затем кто-то познакомил меня с короткой заметкой Б. Джозефсона в журнале “Физикс леттерс” и спросил, что я думаю по этому поводу? Признаюсь, я не понял этой работы, но вскоре мне представился случай познакомиться с Джозефсоном в Кембридже, и эта встреча произвела на меня огромное впечатление. Один из эффектов, предсказанных Джозефсоном, состоял в том, что через барьер из окисла может проходить сверхпроводящий ток без падения напряжения, если металлы по обе стороны от барьера являются сверхпроводящими; это так называемый стационарный эффект Джозефсона.

Мы наблюдали этот эффект много раз… Однако у меня было уже готово объяснение этого явления — сверхпроводящий ток шёл по металлической закоротке или мостику. (Имеется в виду реальный туннель, металлический мостик, проходящий через слой окисла и соединяющий между собой оба сверхпроводника. — И.Р.) Таким образом, все образцы, которые показывали эффект Джозефсона, мы отбрасывали как имевшие закоротки. На этот раз я оказался слишком простодушен! С тех пор меня часто спрашивали, не ругал ли я себя за то, что проглядел этот эффект. Я твёрдо отвечаю “нет”, так как, чтобы сделать экспериментальное открытие, мало наблюдать какой-то эффект, нужно также понимать смысл и значение этого наблюдения, а в данном случае я и близко не подошёл к этому. Даже после того как я узнал о стационарном эффекте Джозефсона, мне казалось, что его нельзя отличить от эффекта закороток, поэтому я ошибочно считал, что только так называемый нестационарный эффект Джозефсона подтвердит или опровергнет теорию Джозефсона».

Мы ещё раз нашли подтверждение тому, что «открыть» не значит «увидеть», а значит — «понять»…

В заключительной части своего рассказа Гиавер сказал: «Я считаю, что дорога к научному открытию редко бывает прямой и что для удачи не обязательно быть большим специалистом. Более того, я убеждён, что часто новичок в данной области имеет больше шансов именно потому, что он невежда и не знает всех тех сложных причин, по которым данный эксперимент не следует ставить».