Кванты и музы

Радунская Ирина Львовна

И вот в начале 1966 года из Москвы была отправлена телеграмма: «Англия. Радастра. Маклесфилд. Лавеллу. Будем работать по Венере 8 и 9 января с 11 до 14. Котельников».

Восьмого января мощные передатчики советского центра дальней космической связи в течение трёх часов направляли на Венеру узкий пучок радиоволн. Отразившись от Венеры, они возвратились на Землю, были приняты станцией Джодрелл Бэнк и записаны автоматическими самописцами. Англичане тотчас сообщили: «Москва, Аэлита. Сигнал от Венеры принят».

Телеграфный адрес Института радиотехники и электроники Академии наук СССР — находка сотрудников. Это связано с полукомичной историей. Телеграфу были предложены институтом на выбор пять слов. Все они оказались занятыми другими

учреждениями. Тогда учёные дали на выбор пять названий планет. Телеграф ответил: все планеты заняты, назовите новые слова. Из вновь названных слов оказалось свободным лишь одно — Аэлита.

— Огорчительно рассказывать об этом теперь, после нигде не зафиксированных, а следовательно, совершенно недоказуемых наблюдений, и, разумеется, мы не претендуем на какоенибудь 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 менее значительном. Почему же всё-таки это открытие не состоялось? Дело в том, что Завойскому не удалось до начала войны добиться хорошей повторяемости результатов: эффект то появлялся, то исчезал, причём чаще его не было на месте. 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 2–3 месяца для экспериментов, он, без сомнения, нашёл бы причину плохой воспроизводимости результатов, и таким образом мы получили бы полную уверенность в реальном существовании резонансного магнитного поглощения на кристаллах. Но трудные условия военного времени не позволяли должным образом проводить опыты. Сообщению же в печати о единичных успешных 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 Блох, Пэрсел и Паунд.

Каким путём шла эта группа? 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 речи, 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 предельно однородное магнитное поле? Ведь сама природа идёт нам навстречу: мы всю жизнь проводим в весьма однородном магнитном поле Земли. Нужно лишь обеспечить, чтобы это магнитное поле не искажалось кусками железа или магнитными полями, окружающими электрические провода.

И Блох создал чрезвычайно простую установку. Ампула с небольшим количеством воды помещалась внутри проволочной катушки, соединённой с несложной радиосхемой. Через эту катушку нужно было пропускать 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 ма леньким 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, содержавшихся 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.

Так воображаемые танцоры-магнитики, связанные с протонами, двигались в опытах Блоха параллельно друг другу, и действие их складывалось в заметную величину.

Получалась миниатюрная динамо-машина, статором которой являлась катушечка, а вращающимся ротором — сонмы «вальсирующих» протонов.

Каждый раз, когда Блох включал, а затем выключал ток в своей большой намагничивающей катушке, он мог слышать в наушниках, присоединённых к схеме, постепенно слабеющий звук. Это «пели» «вальсирующие» протоны.

Звук затихал, как только из-за теплового движения молекул воды и влияния магнитных сил, действующих между ядрами и электронами, «вальсирующие» протоны хотя бы на мгновение сбивались с ритма. В результате таких сбоев исчезал порядок, первоначально созданный в системе протонов сильным магнитным полем катушки. Период вращения сохранялся, но магнитики уже смотрели кто куда и действовали вразнобой.

Стремление и умение обходиться простыми средствами характерно не только для Блоха-экспериментатора, но и для Блоха-теоретика. Он не пытался проследить за поведением каждого протона из бесчисленного количества участвовавших в опыте и учесть все силы, действующие на него. Он понял, что основное и существенное для понимания опыта можно извлечь, рассматривая всю совокупность протонов как некий магнит. Намагниченность этого магнита равна нулю, когда оси протонов хаотически смотрят во все стороны. И становится ощутимой, когда сильное внешнее магнитное поле заставляет их поворачиваться в одном направлении.

Блох знал, что и стрелка компаса никогда сразу не устанавливается в сторону севера. Она качается вокруг этого направления до тех пор, пока сила трения не погасит её размахи.

Роль силы трения в уравнениях Блоха играли процессы, чрезвычайно широко распространённые в природе: это они заставляют остывать нагретые тела, это они постепенно уменьшают высоту отскока мячика, упавшего на пол. Словом — это релаксационные процессы, приводящие к превращению всех форм энергии в тепло и к его рассеянию в пространстве. Процессы, являющиеся неизбежным следствием великих законов термодинамики.

Блох не только уловил момент, когда ядра атомов водорода — протоны — стали подобны идеальному радиоприёмнику, но и создал теорию, объясняющую это явление.

Уравнения Блоха позволили понять многие детали поведения намагниченных ядер и электронов, неясные ранее процессы и явления, обусловленные ими. Впоследствии уравнения Блоха были усовершенствованы, а постоянные величины, введённые им в качестве характеристик изучаемого вещества, были вычислены на основании общих и чрезвычайно мощных методов квантовой физики…