Время вспять, или Физик, физик, где ты был

Между 1953 и 1956 годами электронные и протонные ускорители начали расти повсюду, как грибы. Я не собираюсь перечислять здесь все ускорители, которые сегодня работают, строятся или проектируются на земном шаре. Их перечень можно найти во многих публикациях. Я хочу лишь сказать несколько слов о проблемах, связанных со стремлением ко все более высоким энергиям.

*Для ускорителей типа синхротрона энергия пропорциональна произведению управляющего магнитного поля на радиус орбиты, по крайней мере для частиц ультрарелятивистских энергий, превышающих во много раз их массу покоя. Масса покоя равна приблизительно 1 ГэВ для протонов и в 2000 раз меньше, т. е. 0,5 МэВ, для электронов. Для протонов с магнитными полями в несколько тесла, производимыми сверхпроводящими магнитами, и при радиусе порядка километра энергии порядка 1 ТэВ (1000 ГэВ) получены в американской лаборатории Фермилаб (Fermilab) на машине «Теватрон». Существует в Америке проект на машину 20 ТэВ с радиусом 80 километров, так называемый ССК (сверхпроводящий суперколлайдер, SSC Superconducting Supercollider).

Для электронных синхротронов (как уже было сказано в главе «Накануне») нереалистично мечтать об энергиях выше 100 ГэВ из-за радиационных потерь, и только линейные электронные ускорители позволят (может быть) достичь высших энергий. Новой чертой ультрарелятивистских ускорителей является то, что их используют в качестве так называемых коллайдеров. Вместо того чтобы направлять пучок частиц на неподвижную мишень, сталкивают два встречных пучка. При этом, конечно, происходит громадная потеря интенсивности, и непосвященным не всегда понятно, зачем так делают. Я хотел бы изложить элементарное, чтобы не сказать грубое, объяснение, которое я выработал для самого себя (оказалось, что оно пришло в голову не только мне). Ключевым здесь является слово «ультрарелятивистский». Частица с такой энергией, сталкиваясь с неподвижной частицей мишени, в лабораторной системе координат «выглядит» во много раз «тяжелее» ее, и их столкновение, подобное удару бильярдным шаром по горошине, конечно, не способно разбить ни ту, ни другую. В коллайдере, наоборот, столкновение двух частиц подобно столкновению двух бильярдных шаров, в котором оба могут разбиться, что и является целью эксперимента. Конечно, существуют расчеты, подтверждающие эти примитивные рассуждения.*

Перед тем как расстаться с гигантскими машинами, где я «сижу не в своих санях», напомню, как урок для авторов грандиозных проектов, о грустной истории фазотрона в Дубне, машины (строительство которой было начато в 1949 году и предусматривало мягкую фокусировку), которая мечтала стать самой великой в мире, но оказалась лишь самой тяжеловесной, «линкором» в 35000 тонн. В 1953 году, когда появилась жесткая фокусировка, единственным разумным решением было бы отказаться от злополучного «динозавра» и построить новую машину. Я думаю, что моим советским читателям понятен сарказм, изливаемый бедными советскими физиками высоких энергий на это неуклюжее животное, с которым они должны были мириться. «У нас самая большая пушка, которая никогда не стреляла, самый большой колокол, который никогда не звонил, и самый большой ускоритель…» Фазотрон лишь один пример абсурдного мышления, согласно которому, если какое-либо строительство перевалило за половину, его уже нельзя не довести до конца, даже если его нелепость стала очевидной для всех. Это, конечно, может случиться и случалось в любой стране. Английский «Нимрод» не так далек от фазотрона в Дубне.

Нам тоже не стоит заноситься. В семидесятых годах в Париже в квартале Ла Вилет (La Villette) начали строить гигантскую скотобойню. Авторы проекта полагали, что со всех концов Франции сюда будут привозить на убой живой скот. Безумный проект, наконец, остановили, но уже был построен исполинский «холл», где должны были толпиться легионы рогатых. Единственным разумным шагом было бы снести его и посыпать пеплом его руины. Но разве мыслимо не использовать грандиозное здание! Чтобы оправдать холл, который обошелся в миллиард франков, в помещении, для этого не предназначенном и совсем для этого не подходящем, соорудили грандиозный Музей науки. Предприятие обошлось в 5 или 6 миллиардов франков, а его содержание стоит больше миллиарда в год. Музей науки — конечно, прекрасная вещь, но своим масштабом он обязан дурацкому скотному холлу. За полцены можно было бы построить полдюжины прекрасных музеев для главных городов страны. Но надо было использовать холл!! Еще пару слов про еще один гигантский проект. В моем возрасте можно оставить излишнюю осторожность тем, кто еще должен заботиться о своей карьере, и я позволю себе удовольствие сказать, что я думаю об американском проекте ССК с энергией 20 ТэВ и радиусом 80 километров. Я не страдаю манией величия и прекрасно понимаю, что ничто из того, что я скажу или напишу не может иметь ни малейшего влияния на судьбу этого чудовища, которая будет решена, когда появятся на свет эти строки. Все равно. Я считаю, что этот неуклюжий и грандиозный проект недостоин великой американской нации. Я не вижу в нем ни одной новой идеи. ССК — не что иное, как двадцать теватронов, каждый из которых уже самая большая машина в мире, расставленных один за другим.

Можно употребить следующее сравнение: представьте себе, что в начале пятидесятых годов, т. е. до открытия транзистора, собрались бы построить суперкомпьютер в двадцать раз более мощный, чем наибольший из существующих тогда, увеличивая в двадцать раз число электронных ламп. Вот, по-моему, что такое ССК.

Вручив властям доклад Группы Орбиты, я вернулся к мыслям о самой «легкой» области физики, т. е. к ядерным спинам; в частности, к задаче, которой суждено было меня занимать в течение немалой части моей жизни: ядерная поляризация и ее применения.

*Если методы ЯМР позволяют сегодня «видеть человека насквозь», то прежде всего потому, что под влиянием магнитного поля пациент, введенный в широкий зазор томографического магнита (как и любой образец в любом магните), приобретает так называемую ядерную поляризацию, т. е. избыток ядерных магнитных моментов, направленных вдоль магнитного поля по сравнению с теми, которые направлены ему навстречу. (Поляризация равна единице, когда все спины параллельны полю.)

Ядерная поляризация зависит от абсолютной температуры образца: чем выше температура, тем эффективнее беспорядочное тепловое движение противится действию магнитного поля, которое старается выстроить все ядерные магнитные моменты параллельно себе. При полях, встречающихся в лабораториях ЯМР, при комнатной температуре образец, например наш пациент, будет обладать протонной поляризацией не выше нескольких миллионных долей. Но для подавляющего большинства применений ЯМР этого вполне достаточно.

Но есть в физике задачи, которые требуют ядерной поляризации гораздо большей: например, излучение радиоактивных ядер. Выше говорилось об угловых ядерных корреляциях: испускание первой частицы создает привилегированное направление, по отношению к которому угловое распределение второй частицы обладает анизотропией, из которой можно извлечь полезную информацию. Но физикам-ядерщикам иногда желательно создать анизотропию прямым путем, не прибегая к угловым корреляциям, что может быть достигнуто благодаря высокой поляризации спинов радиоактивных ядер.

Подход к этой задаче возможен с двух концов: понижением температуры и повышением поля. И в обоих направлениях надо пройти довольно далеко, если желательна поляризация порядка единицы. Чтобы перейти от поляризации в несколько миллионных долей до, скажем, нескольких процентов, можно, например, понизить температуру от комнатной до 1 К и повысить поле от 1 до 100 Тл. В 1954 году, о котором сейчас идет речь, первое легко достигалось откачкой паров жидкого гелия, но второе не достигнуто и до сих пор. Поэтому в 1948 году голландцем Гортером и американцем Роузом (Rose) был (независимо друг от друга) предложен иной способ. Использовалось очень высокое сверхтонкое поле, создаваемое магнитными электронами парамагнитного атома в том месте, где находится ядро. Остроумное изменение этого метода, предложенное Блини в 1951 году, вскоре сделало возможным первое наблюдение в Оксфорде анизотропного излучения радиоактивного кобальта. Меня терзало то, что не был в Оксфорде, когда там производились исследования, столь близкие моим собственным интересам.

Другой проблемой, о которой я размышлял, было точное измерение с помощью ЯМР магнитного поля Земли, очень важное для геофизики. Его малая величина, менее 0,5 Гс, приводит к протонной поляризации менее одной миллиардной, недоступной для ЯМР.*

Я изучал все публикации о ЯМР и мечтал о своей собственной лаборатории, где я мог бы испробовать идеи, которые приходили мне в голову. Я заразил своим энтузиазмом своего лучшего сотрудника в Группе Орбиты Ионеля Соломона. Я сговорился с Парселлом и Паундом насчет его пребывания в Гарварде в течение года и добился его командировки туда администрацией КАЭ. Мы надеялись иметь первый набросок лаборатории к его возвращению.

Пока одной из задач, которая меня занимала, был все тот же эффект Оверхаузера, или динамическая ядерная поляризации в металлах. Я старался упростить сложные вычисления Оверхаузера и распространить теорию его эффекта на диэлектрики. Естественно было объединиться в этих исследованиях с лабораторией Кастлера и Бросселя в Высшей нормальной школе. Там тоже экспериментировали с резонансом и были заинтересованы в получении высоких ядерных поляризаций. Но были два важных различия. Во-первых, они имели дело с парами атомов, где плотности в миллионы раз меньше, чем в жидких и твердых телах, которыми интересовался я. Во-вторых, они использовали оптические лучи, чтобы производить высокие поляризации методом, названным Кастлером оптической накачкой, а также чтобы детектировать резонанс. Известно, что эти работы принесли Кастлеру Нобелевскую премию, которую, по-моему (как и по мнению самого Кастлера), лучше было бы разделить между ним и Бросселем.

Осенью 1954 года произошли два события, которые повлияли на мою деятельность. В лабораторию Кастлера приехал на год американский физик, которого я назову Арни (Arnie), как он сам представлялся. Он был учеником Чарльза Таунса, который тогда еще не совершил своего великого открытия — лазера. Арни появился в ореоле открытия, только что опубликованного в «Physical Review Letters», которое могло показаться фантастическим, по крайней мере, тем, которые, как я, интересовались ядерной поляризацией. Он утверждал, что в кристалле кремния, легированного мышьяком, ему удалось создать стопроцентную поляризацию ядер мышьяка. Его метод, вариация на тему эффекта Оверхаузера, заключался в насыщении четырех линий сверхтонкой структуры мышьяка. (Я не поставил звездочки потому, что, даже если читатель не понял ни слова из предыдущей фразы, это нисколько не повлияет на его понимание того, что следует.) Все в его статье было объяснено очень ясно и убедительно. За статьей Арни следовала вторая, написанная его коллегой, теоретиком, в которой давалось более подробное теоретическое изложение.

Кастлер читал статью и был ею убежден вполне. Броссель прочел «письмо» и был убежден. Я прочел письмо и был тоже убежден. Перечитал я ее потому, что нашел маленькую неясность и понял немножко хуже. Я начал ее перечитывать вновь и вновь, и раз от разу статья становилась менее и менее понятной, пока не превратилась под конец в полную бессмыслицу. Создалось неловкое положение: Кастлер понимал, Броссель понимал, а я, специалист по резонансу и ядерной поляризации, не понимал ничего. Прошел мимо Пьер Эгрен, восходящая звезда французской физики, впоследствии крупный деятель и даже министр, который понимал все, что можно понять, и даже больше. Он прочел статью, понял, конечно, и объяснил ее очень наглядно с помощью акустической аналогии с так называемой трубкой Кундта (Kundt). Я не помнил, как устроена трубка Кундта, и ушел из Нормальной школы, где все это происходило, в отвратительном настроении.

Просидев еще день над таинственной статьей Арни, я сумел, наконец, точно определить, где была «зарыта его собака», и выкопать ее на Божий свет. Экспериментальный результат, полученный Арни, надо было истолковать как перенос поляризации между разными сверхтонкими компонентами ЭПР спектра мышьяка, результат не лишенный интереса, но, конечно, не имевший ничего общего со стопроцентной поляризацией ядер, как Арни уверил себя и не безуспешно пытался уверить других. Мне пришлось провести с ним полдня, чтобы разуверить его.

Оставалась еще тайна: каким образом рецензент «Physical Review Letters» пропустил в печать подобную статью без малейшего возражения и почему руководитель Арни, весьма известный физик (не Таунс), поссорился с ним потому, что Арни отказался разделить с ним авторство. (На самом деле ему здорово повезло.) Эта слепота весьма компетентных людей, по-моему, объясняется так: после того как люди отказались поверить предсказаниям Оверхаузера, которые, тем не менее, оказались правильными, они были психологически подготовлены поверить чему угодно. К тому же софизм в рассуждениях Арни было не так легко заметить.

Красочная личность Арни заслуживает нескольких слов. Коренастый, с походкой вразвалку, с курчавой нечесаной башкой цвета воронова крыла, со смехом, подобным ржанию застоявшегося жеребца, мохнатый, как обезьяна, с брюками, спадавшими до «тропика Козерога», он был замечательно свободен от запретов, связанных с тем, что в моей юности называлось приличными манерами. Он решил сразу приобщиться к французской культуре, приобретя берет, который не снимал со своей головы, и говорил на странном наречии, которое считал французским языком. Его выражения стали классическими среди нас, но, к сожалению, непереводимыми. Я мог бы рассказать про него кучу историй. Например, во время поездки из Лондона в Оксфорд в битком набитом купе во всеуслышание, к возмущению британцев, он рассказывал мне следующий анекдот. В верующее еврейское семейство приходит сват и с большим трудом убеждает их согласиться на брак их старшего сына с принцессой Маргарет, младшей дочкой английского короля. Когда это ему, наконец, удается, он произносит со вздохом облегчения: «Половина работы сделана». Только традиционная сдержанность британской нации спасла нас тогда от линчевания. Но моя любимая история — про ужин, который он устроил у себя на квартире вскоре после своего приезда. Среди гостей были профессор Кастлер с супругой, я с Сюзан и еще несколько пар. Накануне он попросил у своей хозяйки несколько лишних вешалок и, когда она невинно спросила, нужны ли ему вешалки с перекладинами для брюк, ответил: «Не знаю, в Париже у меня гости в первый раз». Я так много говорю про Арни потому, что воспоминания о нем меня все еще забавляют, но более того из-за размышлений, на которые меня навела необходимость опровергнуть его абсурдные заключения. Благодаря им я продвинулся к своей тогда еще отдаленной цели: динамической ядерной поляризации в диэлектриках.

Но осенью 1954 года состоялось другое событие. Феликс Блох, великий Феликс Блох, стал первым Генеральным директором ЦЕРН'а и пригласил меня провести с ним несколько месяцев в Женеве. Выбор первого директора был не прост: можно было опасаться, что страна, к которой он принадлежит, возьмет благодаря этому перевес в международной организации. Выбрали Блоха, уроженца Швейцарии, но жителя и гражданина Америки и, к тому же, крупнейшего физика.

Одно было нехорошо в этом выборе: Блох недолюбливал «тяжелую» науку и ненавидел администрацию. Осенью 1954 года большие машины были еще лишь в состоянии проектов или, в лучшем случае, земляных работ, и оставалась администрация, от которой его тошнило. Он принял предложение ЦЕРН'а из-за симпатии к старой Европе, к которой он оставался близок после двадцати лет «изгнания», и к идее ЦЕРН'а как общеевропейского предприятия. Но надо признать, что в Женеве он скучал. Ему хотелось иметь около себя кого-нибудь, с кем можно было бы говорить о своем любимом ЯМР, «дружескую руку», как он выразился, и я был польщен тем, что из всей Европы он выбрал меня. В этом выборе мои скромные заслуги в области ускорителей, про которые он, наверное, никогда не слышал, не играли никакой роли; поводом был только резонанс. Он хотел располагать мною в течение шести месяцев, но КАЭ, который оплачивал мою командировку в Женеву, предложил месяц; сговорились на двух.

Мы сошлись характерами, хотя он был капризен, как примадонна, и сразу стали друзьями. Он был всем тем, о чем я мечтал и чего никогда не достиг, отчасти из-за обстоятельств моей молодости (в возрасте, когда я бегал по следам неуловимого Перрена, он общался с такими гениями, как Бор, Гейзенберг, Паули и т. д.), но главным образом потому, что у меня не было и доли его гения.

В «Reflections of a Physicist» я посвятил ему несколько страниц. Здесь я лишь напомню, что, кроме более чем заслуженной Нобелевской премии за открытие ЯМР, он сделал еще два или три открытия, каждое из которых было достойно этой награды. Он был высок, широкоплеч и силен, со сложением боксера-тяжеловеса. Его нос был, вероятно, когда-то сломан, что увеличивало сходство с боксером. Он был прекрасным горнолыжником и опытным альпинистом.

Он обогатил мою коллекцию историй о Паули, рассказав мне, как это сделал Вайскопф до него, о встрече с великим физиком в Цюрихе. В отличие от Вайскопфа, которому было только сказано: «Сделайте что-нибудь и приходите мне показать», Блох получил более подробные инструкции: «Сделайте мне теорию сверхпроводимости». Блох уселся за работу и через десять дней принес плоды своих трудов Паули, которому не понадобилось и десяти минут, чтобы разнести их в клочья. Вторая и третья попытки имели ту же судьбу. За свое пребывание в Цюрихе Блох сделал десяток подобных безуспешных попыток. «Теперь», — сказал Блох, — «когда кто-нибудь мне приносит теорию сверхпроводимости (не надо забывать, что наш разговор происходил в 1954 году), я просто замечаю, что это моя попытка номер такой-то».

Он сформулировал две теоремы (скорее, два постулата): первый — все теории сверхпроводимости ошибочны; второй — все крупные ускорители в конце концов работают. Опираясь на второй постулат, он не боялся посвящать немалую часть своего времени в Женеве усилиям доказать неверность первого; его не оставляла надежда справиться когда-нибудь с заданием Паули. Можно сказать, что оба постулата оказались неверными в конце концов. Фазотрон Дубны никогда не работал по-настоящему, и в 1957 году Бардин, Купер и Шриффер предложили то, что по-русски носит смешное название «бекаша» (вроде бекеши). Бекаша была не по вкусу Блоху, но он с ней примирился, так как ничего лучшего предложить не мог.

Во время своего пребывания в Женеве он заканчивал работу об установлении основного уравнения для спиновой матрицы плотности системы спинов во взаимодействии с решеткой (читатель, если сие не понятно, не горюй), ту самую работу, которую я сам хотел предпринять в Гарварде и, как дурак, забросил, наслушавшись чужих советов. Работа была внушительной, хотя слегка, и даже более чем слегка, тяжеловесной, и была опубликована позже в трех увесистых статьях в «Physical Review». Блох запросил мое мнение о работе, и я выразил грандиозность предприятия одним словом: «Gottverdämmerung».[15] Хотя, как сказано выше, я сам не предпринимал этой «вагнеровской» работы, я позже изложил ее в более сжатой и, как мне кажется, более изящной форме в своей книге «Принципы ядерного магнетизма»; тут мы опять имеем дело с карликом, взобравшимся на плечи гиганта.

Не я один был призван в Женеву для культурного общения с маэстро Феликсом, был доставлен и более тяжеловесный участник — Блох распорядился привезти в Женеву из Станфорда большой постоянный магнит весом в несколько тонн, специально предусмотренный для ЯМР высокого разрешения. С ним прибыли и два ученика Блоха, два здоровенных парня — Джим Арнольд и Уэстон Андерсон, которых я окрестил именами вагнеровских гигантов Фафнер и Фазольт; сам Блох был, конечно, ввиду его вагнеровской работы, властителем Вальхаллы — Вотаном. Мои отношения с этими молодцами, веселыми ребятами (в особенности Арнольдом) и прекрасными физиками (в особенности Андерсоном), были приятными и полезными. Едва приехав, они распаковали магнит, установили электронику и взялись за эксперименты. «Таким образом, в этом ЦЕРН'е будет хоть капля физики», — прокомментировал Блох. Впоследствии я не раз встречался с Андерсоном на конференциях ЯМР и один раз даже выступал в роли его сообщника (таких во Франции почему-то зовут баронами).

Это дело было на заседании фарадеевского общества в Кембридже. По правилам общества доклады печатаются и отсылаются участникам заранее, каждому докладчику отпускается всего десять минут, чтобы показать лишь свои слайды. В одном из спектров ЯМР, которые Андерсон намеревался демонстрировать, была одна интересная деталь: две линии ЯМР, которые в первом приближении совпадали, слегка расщеплялись в приближении высшего порядка. Андерсон очень гордился тем, что ему удалось обнаружить экспериментально это расщепление, но ему не хватало времени, чтобы его объяснить. Во время дискуссии после доклада его барон, т. е. я, должен был задать наивный вопрос, почему на слайде видны две линии вместо одной? Я не прислушивался к докладу Андерсона, с которым был хорошо знаком, и по окончании его поднял руку и спросил, как было условлено: «На одном из ваших слайдов вы показали две линии там, где должна быть только одна. Объясните, пожалуйста». Андерсон покраснел и сказал при взрыве хохота: «Я не успел показать этот слайд».

Главная польза, которую я извлек из пребывания в ЦЕРН'е с Блохом, заключалась в дискуссиях с ним, касавшихся моих идей о ядерной поляризации. Он посоветовал мне опубликовать их, что я и сделал в статье под названием «Эффект Оверхаузера в неметаллах» в «Physical Review». Блини, обыкновенно скупой на комплименты, назвал эту статью замечательно проницательной. Я расскажу более подробно об этой работе в следующей главе в связи с экспериментами, проведенными в моей лаборатории, так как я скоро заполучил собственную лабораторию.

Во время моей второй поездки в Женеву мне предложили прочесть доклад в Женевском университете о возмущенных угловых корреляциях. Мы условились с Блохом, что доклад будет по-французски, на языке, который Блох понимал прекрасно. За две минуты до начала он вошел в аудиторию и сказал мне: «Было бы лучше, если бы вы говорили по-английски; здесь присутствуют Бор и Гейзенберг, которые хотели бы вас послушать». Думаю, что если бы ритору древней Греции вдруг сказали, что Зевс и Афина спустились с Олимпа на несколько минут, чтобы послушать его рассуждения, он чувствовал бы себя не лучше, чем я. Но все обошлось. Бор проспал, или, по крайней мере, казался спящим, во время большей части моей лекции, а Гейзенберг задал весьма тривиальный вопрос, на который Блох ответил сам.

На следующий день Блох сообщил мне, что решил сложить с себя обязанности Генерального Директора и уехать обратно в Станфорд. Состоялось заседание Совета ЦЕРН'а (что и объясняло приезд в Женеву Бора и Гейзенберга), на котором Блох потребовал введения, наряду с его должностью должности административного директора, отвечающего за решения административного характера (с которыми Блох категорически отказывался иметь дело). Совет отказал ему в этом, считая, что именно на Генеральном Директоре лежит полная ответственность за все. Андерсон и Арнольд разобрали и упаковали магнит и электронику, успев, к счастью, довести до конца интересный опыт, и магнит отправился обратно в кругосветное путешествие. Поведение Блоха вызвало отрицательные комментарии, но только не у меня; нельзя требовать от арабского скакуна того же, что от битюга.

После Женевы я часто виделся с Блохом. Лучше всего помню наши диспуты насчет понятия спиновой температуры, о которой будет речь в следующей главе. Блох не верил в это понятие, или скорее не видел в нем никакой пользы, в то время как я был противоположного мнения. После очень жаркого спора, в котором он постоянно меня перебивал, я не вытерпел и сказал ему: «Как я могу надеяться переубедить вас, когда вы просто не слушаете того, что я говорю». К моему удивлению, он расхохотался: «Знаете ли вы, что точно то, что вы мне сейчас сказали, Эйнштейн говорил Борну во время их дискуссий о квантовой механике? Я всегда уважал Борна и готов играть его роль, но не боитесь ли вы, что мантия Эйнштейна тяжеловата для ваших плеч?» Добавлю, что впоследствии Блох убедился в разумности понятия спиновой температуры и стал одним из ее самых горячих защитников.

В конце 1954 года (или, может быть, в начале 1955) Блох (Клод, а не Феликс), Мессиа, Трошри и я по своей собственной инициативе начали читать высшие курсы в Сакле, каждый по своей специальности. Мессиа читал курс квантовой механики, который впоследствии вырос в прекрасную книгу, Клод Блох — курс по теории ядерных реакций, а Трошри — о ядерных моделях. Я, конечно, выбрал магнитный резонанс, ЭПР и ЯМР. Другие коллеги последовали нашему примеру. Эрпин (Herpin) читал прекрасный курс классического магнетизма. Мы сами приготовляли записи лекций, а затем их размножали и раздавали нашим студентам. Я помню, что я очень настаивал на том, чтобы не раздавать их бесплатно. Я утверждал, что при отсутствии экзаменов (а их не было) плата, пусть символическая, необходима, чтобы студент отнесся к записям лекций серьезно; бесплатный курс, как листовку или рекламу, теряют или просто выбрасывают, не прочитав. Такого рода курсы в Сорбонне тогда еще не существовали, и наш пример, я полагаю, сыграл немалую роль в появлении в университетах пару лет спустя так называемого «третьего цикла» (troisieme cycle). Мои слушатели включали всех сотрудников лаборатории Кастлера, в том числе самого Кастлера и Бросселя. В конце курса слушатели подарили мне записи моих лекций в роскошном кожаном переплете.

Дебьес, который постоянно был в поисках рекламы для Сакле, сговорился с редакцией киножурнала о съемке наших лекций (по телевидению хроника тогда еще не передавалась). Жребий пал на мою лекцию. На лекции было около тридцати слушателей, что, учитывая предмет и уровень лекций, было совсем неплохо, но мест-то в аудитории было двести. Киношник, воздев руки к небу, заявил: «Я этого снимать не стану». Дебьеса это не смутило. Он усадил в зал добровольцев, созвав лаборантов из всех химических и биологических лабораторий Сакле, и так как всего этого все равно было мало, одел в белые халаты уборщиц и даже дюжину молодцов из охраны. Видно, кровь Потемкина текла в его жилах.

Но я хотел лабораторию.

Мне было необходимо убедить власти КАЭ в полезности ЭПР и ЯМР для развития работ по атомной энергии. С этой целью я сделал доклад в присутствии Перрена, Ивона, Герона, Дебьеса и других (которых не помню). Я перечислил все выгоды, которые ЭПР и ЯМР могли принести работам по атомной энергии: измерение с помощью ЯМР примесей тяжелой воды в обыкновенной воде и наоборот; с помощью ЭПР примесей урана-235 в естественном или обогащенном уране, исследования плутония, изучение с помощью ЭПР дефектов, производимых в материалах различными излучениями, к этому надо было добавить все применения ЯМР и ЭПР, интересовавшие химиков. Некоторые из применений были стандартными, другие — гипотетическими, чтобы не сказать сомнительными; но меня это мало беспокоило, так как я не рассчитывал терять время ни на одно из них. Чего я хотел, так это приобрести у американской фирмы Вариан (Varian) магнит, спектрометр с широкой полосой частот для ЯМР в твердых телах (в жидкостях твердо засели химики), клистрон, чтобы сконструировать самим спектрометр для ЭПР (готовые спектрометры для ЭПР тогда не продавали), нанять нескольких техников, и вместе с Соломоном и с Жаном Комбриссоном (Jean Combrisson), физиком на несколько лет старшим Соломона, который уже имел кое-какой опыт в ЭПР, начать проводить некоторые из экспериментов, о которых мечтал. От властей я получил согласие «в принципе» и задание представить смету и подробный план.

Это было не так просто; у меня не было опыта, и я начинал с нуля. В советах и в информации, которые я смог собрать от окружающих, было мало толку и еще меньше практической пользы. Те редкие французские группы, которые занимались ЯМР, имели устарелое оборудование и, если можно так выразиться, устарелые идеи. Я с интересом выслушал мнение Бросселя, но его область была слишком далека от моей, чтобы я мог извлечь пользу из его совета.

Информацию о ЯМР надо было искать в Америке, где он родился и развивался со скоростью, непревзойденной в других странах. Так я решил и так и сделал. Летом 1955 года я уехал в США. Моим первым этапом был Гарвард, где успехи моего «посланника» Соломона за предыдущий год превысили все мои надежды. Мне было бы приятно назвать его своим учеником, но это не соответствовало бы фактам. Хоть он и научился у меня кое-чему, он был, как и я, ничей ученик. В физике у меня была, несомненно, более широкая культура, я знал гораздо больше, чем он, я размышлял дольше, чем он, над проблемами, которые нас интересовали, и я умел объяснить и выразить свои мысли лучше, чем он, и, зачем скрывать, лучше, чем большинство моих коллег. Может быть, я повлиял на него больше, чем он на меня, но даже в этом я не уверен. Я старше его на четырнадцать лет, но обстоятельства сделали мой старт поздним, а его — ранним, что уменьшило разницу в годах и сблизило нас. Но Соломон был настоящим экспериментатором, который «сам и пушку заряжал», в то время как я, за редким исключением, довольствовался тем, что придумывал эксперименты, следил за их исполнением и истолковывал результаты. Объединяла нас также, кроме любви к физике, особая манера не принимать самого себя слишком всерьез, которая, я надеюсь, не покинула меня с возрастом, разными высокими назначениями и (в последние годы) «почестями», и никогда не оставляла его. (Академик с 1988 года, он все еще ходит в Академию без галстука.) Эксперимент, который он сам придумал, провел и истолковал в Гарварде, по-моему, самый красивый во всей его научной биографии, которая насчитывает немало красивых экспериментов.

Летом 1955 года мы подготовили и провели в течение месяца поездку по лучшим лабораториям ЯМР США в поисках информации и вдохновения. Я не сохранил списка, но их было много. Кроме Гарварда и MIT главными были Рэтгерс, Белл Телефон, Дженерал Электрик, Чикаго, Иллинойс, Станфорд, Пало Альто и Беркли. Каждый вечер после осмотра, как бы ни был утомителен день, мы не ложились спать, пока не обсудили всего, что видели за день, и не записали подробно. В Пало Альто мы осмотрели лабораторию фирмы Вариан (Varian), главой которой был Паккард, один из трех, кто во главе с Блохом открыл ЯМР в Калифорнии. Паккард как глава технического отдела рассчитывал главным образом на продажу спектрометров ЯМР высокого разрешения, предназначенных для химиков, и которые поэтому нас мало интересовали, но которые для тех времен были техническим чудом. Он показал нам на экране спектр этилового спирта с его знаменитым триплетом трех групп протонов: метила, метилена и гидроксила. Он улучшил разрешение поворотом нескольких кнопок, и на экране появилась целая роща линий, следствие так называемой косвенной связи между разными группами спинов. Погордившись перед нами возможностями своего аппарата, Паккард сказал: «Пора вернуться к слабому разрешению с тремя линиями. Я ожидаю покупателей, двух представителей крупного химического завода из Техаса. Про три группы в спирте они знают и суть трех линий поймут. Но если я покажу им множество всех линий, это собьет их с толку, и они могут отказаться от покупки». Мы вернулись (я в Париж, а Соломон отправился еще на месяц в Кембридж) измученные, но довольные собой.

Соломон был длинным, как жердь, с бесконечными ногами. Его угловатая физиономия порой освещалась очаровательной улыбкой. Как я уже говорил, он оставил меня в 1962 году, чтобы основать свою собственную лабораторию. Мы расстались друзьями и остались ими по сей день.

Комбриссон — выпускник Школы Физики и Химии (той самой, которую окончил Жолио) — был знаком с техникой СВЧ,[16] что предопределяло его занятие ЭПР в нашей будущей лаборатории. Рослый, спокойный и осмотрительный, он был человеком, на которого можно было положиться; что я и делал в течение пятнадцати лет, после чего он перешел работать с Горовицем.

Итак, осенью 1955 года наша тройка была готова пуститься в путь, который для меня продлился ровно тридцать лет. Был старый американский фильм, называвшийся «Жизнь начинается в сорок лет». Это я и собирался испробовать.

Ядерный магнетизм и я

(Вторая золотая пятилетка)

Лучше поздно, чем никогда.

Теория и эксперимент. — *Динамическая ядерная поляризация в жидкостях. — Доктор Франкенштейн. — *Магнитометр. — *Спиновая температура. — *Динамическая ядерная поляризация в твердых телах. — Библия

Этот пятилетний промежуток был, пожалуй, самым плодотворным в моей жизни. Я, конечно, не сделал никаких великих открытий, чего, очевидно, мне не было суждено, но у меня остались неплохие воспоминания кое о чем из того, что я тогда сделал. В общем три достижения я записал бы себе в кредит. Начиная с нуля, мне удалось создать лабораторию, которая пять лет спустя была известна специалистам магнитного резонанса всего мира, я открыл два или три интересных явления и написал книгу «Принципы ядерного магнетизма», изданную в 1961 году, которая сразу имела замечательный успех, на которой воспитывались поколения научных работников и в которую заглядывают и сегодня, через тридцать лет после того, как я ее написал.

Все три достижения связаны между собой: если бы у меня не было определенных идей насчет этих двух или трех явлений, я, может быть, не боролся бы за собственную лабораторию; без идей и без талантливых сотрудников эти явления не были бы открыты, по крайней мере мною; без идей и без лаборатории я, наверное, не написал бы книги, и, если бы я не взялся ее писать, несколько весьма интересных экспериментов, подсказанных писанием книги, не были бы сделаны.

Я забыл еще один, четвертый момент: вряд ли жизнь была когда-нибудь так занимательна, как в течение этих пяти лет. Исходной причиной этого успеха (предполагая, что успех был) была моя разносторонняя тренировка по ЭПР в Оксфорде и по ЯМР в Гарварде. К этому можно добавить все те знания, которые я беспорядочно приобретал в разных областях в течение многих лет. Многое из того, что казалось ненужным, оказалось полезным. Я не раз убеждался, что тому, кто стоит на гребне, разделяющем две долины, и смотрит вниз, происходящее в долинах виднее, чем тому, кто пашет на дне одной из долин. Мне кажется, этим объясняется успех нашей с Паундом работы, посвященной возмущенным угловым корреляциям, находившейся на границе между ядерной физикой и ядерным магнетизмом.

Теоретик (потому что хоть и руководитель лаборатории, но все-таки я теоретик), имеющий в своем распоряжении лабораторию, в которой он может претворять в практику свои идеи, воистину счастливчик. При условии, что его лаборатория принадлежит к легкой науке (по-английски говорят большая и малая наука, Big Science and Little Science, но, потому ли что я бывший артиллерист, я предпочитаю выражение легкая и тяжелая), появившаяся вдруг идея может быть испытана очень скоро, иногда за неделю, иногда в тот же день. В первой главе «Русское детство» было уже сказано о «божественном сюрпризе увидать явление, предсказанное теорией, там, где оно было предсказано, и таковым, как предсказано». При проверке предсказанного может появиться неожиданное, и найти ему объяснение — еще более захватывающее дело.

*Я помню один из первых экспериментов, которые мы сделали с Комбриссоном, наблюдая ЭПР мышьяка в кремнии (в том же кремнии, и даже в том же самом образце, одолженном мне Арни, на котором он сделал свое «открытие» стопроцентной ядерной поляризации). Так как ядерный спин мышьяка I = (3/2), сверхтонкая структура ЭПР должна была представлять собой (2I + 1) = 4 линии одинаковой интенсивности аналогично спектру меди, открытому Пенроузом на восемь лет раннее. Мы действительно увидели четыре линии, но те две, что в середине, были почти в два раза выше боковых, что было очень странным. Мне пришло в голову, что спины мышьяка не находились в состоянии теплового равновесия, и я придумал механизм «косвенной» релаксации, благодаря которому вначале внутренние линии растут быстрее внешних. Если это действительно было так, то через достаточно длинный промежуток времени все четыре линии должны были прийти в равновесие и оказаться одинаковой высоты. Прождав четыре часа, мы с радостью убедились в правильности моей гипотезы. Гипотеза в те времена была смелой, потому что такие длинные времена релаксации в ЭПР были тогда неизвестны.*

Я остановился на этом забавном, но маловажном явлении потому, что это был пример ситуации, с которой я встречался впервые — непосредственное участие в эксперименте.

В поисках объяснения неожиданного явления встречаются разные «подводные камни». Объяснение может быть остроумным и соответствовать всем фактам и все же быть неверным. Например, как было рассказано в главе «Между Оксфордом и Кембриджем», Жолио истолковал треки позитронов в своей камере как треки электронов, движущихся в обратном направлении. Гораздо чаще встречается ситуация, когда новое явление на самом деле, как сказал генерал де Голль, «вульгарно и второстепенно» или, как более красочно выразился Раби, просто «швайнерай» (Schweinerei). В нашей лаборатории я вывесил плакат: «Перед тем как выбросить квантовую механику в мусорное ведро, проверим еще раз все предохранители». Сколько раз бывало, когда после мобилизации всей нашей эрудиции и находчивости в поисках рационального объяснения, мы убеждались, что имели дело с «швайнерай». Но бывает и наоборот, хотя гораздо реже. В тридцатых годах физики-ядерщики в Беркли избавились от паразитного раздражающего треска своих счетчиков с помощью тщательного экранирования, только чтобы убедиться, прочитав публикацию супругов Жолио, что они закрыли глаза (вернее, уши) и прозевали открытие искусственной радиоактивности.

Я должен теперь хоть сделать намек на те два или три явления, открытием которых хвастался выше. Более подробно об этом сказано в «Reflections of a Physicist» и гораздо более подробно в «Принципах ядерного магнетизма». Однако читатель вообще может пропустить следующие параграфы, хоть я и постарался «встретить его на полпути».

*Динамическая ядерная поляризация в жидкостях

В предыдущей главе я говорил, что ядерная поляризация повышается с понижением температуры и наоборот. Чего я не сказал, так это того, что эти изменения не моментальны. Чтобы ядерные спины приобрели свою равновесную тепловую поляризацию, они должны быть некоторым образом «информированы» о температуре остальных степеней свободы образца, которые принято называть «решеткой». Механизм, осуществляющий эту информацию, называется спин-решеточной релаксацией, а постоянная, определяющая длительность этого процесса, есть время спин-решеточной релаксации, или Т₁. Здесь я попрошу разрешения у читателя засорить «гордый ваш язык» варварскими терминами с английского. Единственное, что я могу сказать в свою защиту, это то, что наш гордый французский язык ими засорен не менее. Итак, благословясь, начнем. Переворот спина мы назовем флип. Одновременный переворот двух взаимодействующих спинов назовем флип-флоп: если они переворачиваются в противоположные направления; флип-флип, если они переворачиваются в одно и то же направление; флип-cтоп, если только один из них переворачивается. Наконец, я нахально введу глаголы флипать, флопать, флип-флопать и флип-флипать (как хлопать), смысл которых очевиден.

Под влиянием спин-решеточной релаксации спины флипают. В каждом таком флипе спин получает от решетки (или отдает ей) энергию, которая в частотных единицах равна резонансной, или, как говорят, ларморовской частоте спина Ω_n, пропорциональной его магнитному моменту.

Равновесная ядерная поляризация определена отношением тепловой энергии kТ к энергии обмена с решеткой во время ядерного флипа. Эта энергия обычно равна ядерной ларморовской частоте Ω_n, но может быть отличной от нее, как это происходит в эффекте Оверхаузера. Все, что сказано до сих пор, применимо и к электронным спинам с той разницей, что магнитный момент электрона больше ядерного на три или четыре порядка, а значит, и энергия Ω_n электронного флипа соответственно превышает энергию ядерного флипа в том же отношении. Еще надо запомнить, что электронная спин-решеточная релаксация на много порядков быстрее, чем ядерная. Теперь можно понять механизм динамической поляризации в жидкостях.

Предположим сначала для простоты, что связь между ядерными спинами жидкости, скажем, протонными и электронными спинами растворенных в ней парамагнитных примесей, чисто скалярная, т. е. разрешает между ними только флип-флопы. Релаксация ядерных спинов, которую производит их связь с электронными спинами, — двухэтапный процесс. На первом этапе ядерный спин флип-флопает с электронным спином, что требует энергии Ω_e — Ω_n. На втором этапе электронный спин сейчас же флипает обратно, сам по себе, в силу своей сверхскорой релаксациии, и возвращает решетке энергию Ω_e. Окончательный баланс обмена энергии с решеткой во время одного ядерного флипа равняется Ω_n, как и полагается.

Напомним теперь, что когда говорят о насыщении спинового резонанса внешним резонансным радиочастотным полем, это означает, что вынужденные флипы, производимые этим полем, происходят гораздо скорее, чем те, которые производит спин-решеточная релаксация. Отсюда следует, что в эффекте Оверхаузера, где насыщается электронный резонанс, электронный спин, только что флип-флопнувший с ядерным спином, возвращается обратно не из-за своей релаксации, а гонимый насыщающим полем, и не успевает вернуть решетке энергию Ω_e. Таким образом, во втором этапе решетка не участвует и баланс обмена энергией с решеткой при ядерном флипе не Ω_n, а (Ω_e—Ω_n)≈Ω_e>>Ω_n. Вследствие этого ядерная поляризация принимает значение, которое она имела бы, если бы ядерный момент равнялся электронному.

Это и утверждал Оверхаузер. Если бы он сказал своей аудитории то, что сказано здесь, для чего десяти минут вполне хватает, может быть, его поняли бы и поверили. Но это опять «карлик (или, вернее, карлики, потому что несколько человек занимались упрощением его изложения) на плечах гиганта».

На самом деле в растворах парамагнитных примесей в жидкостях, скажем в воде, ситуация усложнена тем, что взаимодействие между ядерными и электронными спинами не скалярное, как предполагалось выше, а дипольное. Такое взаимодействие существует между двумя маленькими магнитами. Можно показать, что оно разрешает не только флип-флопы между спинами, но еще (с разной вероятностью) и флип-флипы и флип-стопы. Я подсчитал все эти возможности и показал, что в этом случае максимальное увеличение ядерной поляризации эффектом Оверхаузера не (Ω_e/Ω_n), как при скалярной связи, а — (Ω_e/2Ω_n), т. е. в два раза меньше и с обратным знаком.

Для развлечения слушателей моих лекций или докладов на конференциях (но никогда письменно) я иногда позволял себе называть этот вариант с поляризацией обратного знака эффектом «Унтерхаузера» (Underhauser effect) вместо Оверхаузера. Каково же было мое удивление, когда несколько лет спустя в библиографии очень серьезной монографии об ЭПР я обнаружил среди авторов, работающих над динамической поляризацией, фамилию Унтерхаузера! Мое удивление не знало границ, когда я понял, что автор монографии цитировал мифического Унтерхаузера, ссылаясь на него как на соавтора некоторых моих работ. Неужели, как доктор Франкенштейн, я создал чудовище?! Я никогда не пытался выяснить эту тайну; на основании того, что я знаю об авторе монографии, совершенно не способном не только выдумать, но и понять какую-либо шутку, я уверен, что это искренняя ошибка (но которую было бы жаль исправлять).

Оставалось проверить опытом все эти предсказания, качественно (так как динамическая поляризация в жидкостях, предсказанная в моей женевской работе, еще никогда не наблюдалась) и количественно. Но прежде всего надо было отыскать подходящую парамагнитную примесь, растворимую в воде. Листая каталог со свойствами свободных радикалов, я напал на вещество, которое мне показалось подходящим. Его длинное название было дисульфонат и еще несколько слов, которые здесь не стоит выписывать. ЭПР спектр этого дисульфоната состоит из трех узких линий сверхтонкой структуры, обусловленной взаимодействием электронного спина свободного радикала с ядерным спином I = 1 (2I + 1 = 3) атома азота, присутствующего в дисульфонате. Существование трех линий являлось недостатком. Максимальное увеличение протонной поляризации в воде, по «Унтерхаузеру», (-Ω_e/2Ω_n) = — (μ_e/2μ_n)≈ -330, но, так как насыщалась только одна из трех ЭПР-линий дисульфоната, это число надо было разделить на три, т. е. можно было ожидать увеличения не выше 110.

Экспериментальные трудности, связанные с одновременным насыщением одной из ЭПР-линий дисульфоната и наблюдением ЯМР на протонах, были преодолены, и мы наблюдали, как и было предсказано, изменение знака протонного сигнала и его увеличение приблизительно в сто раз. Все это прекрасно, но, кроме чисто интеллектуального удовольствия, которое, конечно, не следует презирать, на что это годилось? Как я сказал в прошлой главе, слабая «естественная» поляризация в несколько миллионных в полях в несколько килогауссов при комнатной температуре достаточна для большинства применений ЯМР, и усложнения, связанные с техникой двойного резонанса, были бы слишком большой ценой за увеличение поляризации даже в сто раз.

*Магнитометр

Измерение резонансом магнитного поля Земли — совсем другое дело. Его интенсивность порядка 0,5 гаусса, и соответствующая протонная поляризация менее одной миллиардной, что делает протонный сигнал ЯМР ненаблюдаемым. Примесь дисульфоната могла бы увеличить поляризацию в сто раз, что все равно было бы недостаточным для наблюдения. Но однажды во время прогулки после ужина меня осенила мысль, которая не дала мне спать всю ночь. Ядерный спин азота, который нас раздражал потому, что снижал в три раза максимальную ядерную поляризацию, в полях порядка земного был Даром Божьим. Поясню. Отношение (Ω_e/Ω_n) ларморовских частот электрона и протона равняется отношению их магнитных моментов (μ_e/μ_n) при условии, что на оба момента действует одно и то же магнитное поле. Но в магнитном поле Земли это не так: протоны воды действительно «видят» только поле Земли в 0,5 гаусса, но электронный спин дисульфоната «видит», кроме того, магнитное поле, производимое спином «своего» азота, порядка двадцати гауссов. Им можно пренебречь в больших полях, но оно в сорок раз выше земного поля. Из этого следует, что максимальное «унтерхаузерское» увеличение протонной поляризации с помощью дисульфоната в поле Земли — не 110, а несколько тысяч.

Конечно, я не удовольствовался подобным расчетом на пальцах, а пересчитал все, как следует, за эту ночь раз десять, таким чудесным это казалось. Я с трудом дождался утра, чтобы все рассказать Соломону, который сразу понял суть дела и принялся за реализацию магнитометра с невероятной энергией. Магнитометр, основанный на принципе, выработанном в нашей лаборатории, показал себя в течение многих лет самым точным и самым выносливым в тяжелых условиях эксплуатации. Среди тех, кого интересует быстрое и точное измерение магнитного поля Земли, встречаются геофизики, археологи и разведчики нефти, а также личности, связанные с Министерством обороны, которых почему-то интересует обнаружение металлических тел под поверхностью океанов.

Мы построили лабораторный прототип, после чего по настоянию нобелевского лауреата Луи Нееля, который был связан с морским министерством в Гренобле, учредили специальную лабораторию для разработки прибора, способного работать в полевых условиях. Немало времени у нас заняло оспаривание наших патентов представителями фирмы Вариан, которые защищали интересы моего хорошего друга Феликса Блоха. Но, как говорится, дружба дружбой, а денежки врозь (денежки не мои, конечно, а КАЭ, которому принадлежали все наши патенты).

Блох после своего открытия ЯМР запатентовал невероятное число применений ЯМР, в том числе и примешивание парамагнитных веществ к диамагнитным жидкостям, чтобы укоротить время ядерной релаксации. Мне удалось доказать, что суть патентов Блоха, несмотря на внешнее сходство, была отличной от наших. До Оверхаузера о динамической поляризации не помышляли ни Блох, ни я.

Венцом этого дела была премия, которую в конце 1958 года мне вручил сам генерал де Голль и половину которой я затем разделил между Соломоном и Комбриссоном. Во время приема после вручения награды он беседовал несколько минут с Сюзан и со мной. Должен признаться, что он очаровал меня и еще больше Сюзан простотой и обходительностью своего обращения, несмотря на то, что обстоятельства его возвращения к власти семь месяцев назад меня далеко не очаровывали. Перед вручением награды ко мне подошел очень приятный господин (я подозреваю, но не смею уверять, что это был директор кабинета де Голля Помпиду, о котором в то время никто не слыхал) и сообщил мне, что не успели приготовить чек, который генерал должен был мне вручить, и поэтому в конверте, который он мне передаст, будет только поздравление правительства. Чек я получу через несколько дней. Может быть, он опасался, что я устрою генералу скандал, когда открою конверт?

*Спиновая температура

Перехожу теперь к другому понятию, которое меня преследовало все эти годы и должно было значительно изменить мышление специалистов по ядерному магнетизму в ближайшие десятилетия. Понятие спиновой температуры возникло из того факта, что в твердых телах ядерные спины связаны друг с другом дипольными магнитными взаимодействиями гораздо сильнее, чем с решеткой. Гипотеза (так как это только гипотеза) спиновой температуры — это предположение, что спины находятся в состоянии внутреннего равновесия, достигнутого за время Т2, которое гораздо короче времени спин-решеточной релаксации Т₁, и что это состояние может быть описано внутренней температурой, так называемой спиновой температурой, которая может быть совсем отличной от температуры решетки.

Эта гипотеза никогда не была доказана теоретически, и в 1957 году я посвятил свои усилия ее экспериментальному доказательству. Я придумал для этого опыт, который и осуществил с помощью американского физика Уорена Проктора (Warren Proctor), бывшего ученика Блоха, работавшего у меня два года. (Да, на этот раз я решил «испачкать ручки», ведь я сам был инженером-радиотехником из Сюпелека.) Принцип эксперимента следующий.

Эксперимент А. Ядерные спины образца (кристалла) приводят в состояние теплового равновесия с решеткой при температуре 300 К в сильном магнитном поле, где они приобретают намагниченность, измеряемую с помощью ЯМР. Затем образец размагничивают до нулевого поля за время, короткое по сравнению с T₁, но длинное по сравнению с Т₂. Можно предположить, что спины находятся все время в состоянии внутреннего равновесия, но изолированы от решетки. Если снова поднять поле до начального значения, можно наблюдать возвращение ядерной намагниченности к начальному значению (если учесть малые потери). Это совместимо с гипотезой спиновой температуры, но не является доказательством этой гипотезы. В частности, техникой ЯМР ничего нельзя узнать о состоянии спинов в нулевом поле. Если предположить, что систему спинов можно в каждый момент времени описать спиновой температурой, ее значение в нулевом поле легко подсчитать, записав условие сохранения энтропии спинов во время адиабатического размагничивания. Предположим для наглядности, что эта подсчитанная температура равняется 2 K (такова она была в нашем эксперименте).

Эксперимент В. Образец охлаждают в нулевом поле в криостате с температурой 2 K в течение времени, гораздо большего, чем Т₁. В этом случае мы знаем, что спины находятся в состоянии равновесия при настоящей термодинамической температуре 2 K. Затем адиабатически поднимают магнитное поле до того же значения, что в начале эксперимента А, и измеряют с помощью ЯМР ядерную намагниченность. Если она равна той, что наблюдалась в эксперименте А, правильность гипотезы спиновой температуры доказана. Так оно и оказалось. Этот опыт изменил отношение многих физиков к понятию спиновой температуры, введенному впервые в электронный магнетизм двумя голландскими физиками Казимиром и дю Пре (du Pre), и в ядерный — Паундом и Парселлом.

Думаю, именно этот опыт положил конец враждебному отношению Блоха к понятию спиновой температуры. Что касается Парселла, который еще со времени своих первых экспериментов с Паундом был убежден в его правильности, про наш опыт с Проктором он сказал: «Дитя родилось давно, а сегодня вы принесли брачное свидетельство».

Спиновые системы имеют интересную особенность: спектр их энергии ограничен сверху (в отличие, например, от систем с кинетической энергией). Это дает возможность создать эти системы в состоянии отрицательной температуры. При отрицательной температуре вероятность найти систему на данном уровне энергии тем больше, чем выше энергия этого уровня. Очевидно, что состояние с отрицательной температурой бессмысленно для «нормальной» системы, т. е. такой, энергетический спектр которой не имеет верхней границы. Энергия такой системы в подобном состоянии была бы бесконечна.

Наоборот, для спиновых систем такие состояния не только мыслимы, но и создавались, и подробно изучались. Важно понять, что система с отрицательной температурой «горячее» любой системы с положительной температурой; если ее поместить в тепловой контакт с «нормальной» системой (которая может иметь только положительную температуру), она будет необратимо передавать энергию «нормальной» системе и достигнет состояния с бесконечной температурой, где все ее уровни одинаково населены, т. е. состояния максимального беспорядка. Только после неизбежного перехода через полный хаос сможет она достигнуть положительной температуры и прийти в тепловое равновесие с «нормальной» системой. Ниже, в главе «Запад и Восток», будет рассказано о неожиданном применении понятия отрицательных температур.

*Динамическая ядерная поляризация в твердых телах

Перехожу к третьему явлению, обнаруженному в эти годы в нашей лаборатории, а именно к динамической ядерной поляризации (или ДЯП) в твердых телах. Ее разные проявления и приложения занимали нас почти четверть века.

В своей работе Оверхаузер очень настаивал на том, что электроны проводимости в металлах, насыщение резонанса которых приводило к громадному увеличению ядерной поляризации, подчинялись так называемой статистике Ферми, подробности которой я здесь опущу. В моей женевской работе я показал, что эта предпосылка была излишней, и предсказал возможность ДЯП в жидкостях, впоследствии доказанной в нашей лаборатории (о чем рассказано выше). Хорошо известно, что спины парамагнитных примесей, растворенных в жидкостях, где они играют роль спинов электронов проводимости, статистике Ферми не подчиняются. Не я один настаивал на необязательности статистики Ферми для эффекта Оверхаузера; Блох это тоже заметил и сделал заключение, что эффект Оверхаузера должен быть наблюдаем и в твердых диэлектриках. Но это заключение было в общем ошибочным, как я показал в своей женевской работе. Тщательный анализ роли электронных спинов в ядерной релаксации позволил обнаружить малозаметное, но существенное различие ее механизма в металлах и жидкостях, с одной стороны, и твердыми диэлектриками — с другой. Неверующий читатель может на свой страх и риск, обратиться к книге «Ядерный магнетизм» за доказательством. Но, если ДЯП с помощью эффекта Оверхаузера или его «унтерхау-зерского» варианта была невозможна в твердых диэлектриках, есть ли другой метод?

То, к чему я стремился (да и не только я), не было увеличением во много раз очень малых поляризаций, переходя, скажем, от одной миллиардной доли к нескольким миллионным, как в магнитометре для земного поля, или от нескольких миллионных долей к одной тысячной, как было с жидкостями в сильных полях. Целью была высокая абсолютная поляризация, близкая к стопроцентной, для ряда применений, которые я опишу позже.

Но при динамических увеличениях порядка нескольких сотен в лучшем случае (поле земли было специальным исключением) начинать приходилось с «естественной» ядерной поляризации в несколько тысячных, т. е. с температуры порядка 1 K. Для металлов можно было бы подумать об использовании обычного эффекта Оверхаузера, если бы при низких температурах так называемый скин-эффект не препятствовал проникновению в глубь металла насыщающего микроволнового поля. Что же касается жидкостей, то при температурах порядка 1 R они… не жидкости. Единственным исключением является изотоп гелия 3He (4Не не имеет ядерного спина). Между 1955 и 1960 годами у нас в лаборатории его не было, но позже мы, как и другие, безуспешно пытались поляризовать его с помощью эффекта Оверхаузера. Причины неудачи не поняты до сих пор.

Решение задачи ДЯП в твердых диэлектриках пришло мне в голову в один прекрасный день. Попробую его изложить в бессовестно упрощенном, но, в принципе, правильном виде.

Рассмотрим образец твердого диэлектрика, содержащий ядерные спины I в нормальной пропорции и малую примесь электронных спинов S, скажем, один S на несколько тысяч I. Положим для магнитного поля и для температуры условия, скажем, 2,5 Тесла и 1 K, при которых электронные спины поляризованы почти на 100 % и все «смотрят вверх», а ядерные спины имеют почти нулевую поляризацию, при которой столько же из них смотрят «вверх», сколько и «вниз».

Предположим еще, что время спин-решеточной релаксации спинов S очень коротко, так что если по какой-нибудь причине спин S флипнет «вниз», релаксация моментально вернет его в равновесие, т. е. «вверх». Все эти гипотезы вполне реалистичны. Наша задача заключается в том, чтобы перевести все спины I из состояния «вниз» в состояние «вверх».

Возьмем ядерный спин I, который направлен «вниз». Он мог бы перейти в «вверх», флип-флопнув с электронным спином, направленным «вверх». Но для этого нужна энергия Ω_— = (Ω_S — Ω_I), которую в жидкости можно почерпнуть из кинетической энергии относительного движения этих спинов, но которая совершенно отсутствует в твердом образце при низкой температуре. Этот флип-флоп можно все-таки произвести, взяв эту энергию у внешнего микроволнового источника с нижней частотой Ω_—. (В первом приближении для внешнего источника такой переход запрещен, но не во втором.) Но спин S, который в результате такого флип-флопа перешел в состояние «вниз», сразу возвращается в «вверх» благодаря своей сверхскорой релаксации, и спин I, который перешел «вверх», «видит» вокруг себя только спины 5, которые тоже «вверх», и не может флип-флопнуть с ними. Он мог бы флип-флипнуть с любым из них, но для этого нужна энергия Ω₊ = (Ω_S + Ω_I), которой в образце нет и спин I остается пойманным «вверх». Таким образом, все спины I переводятся в состояние «вверх» один за другим.

Предположение стопроцентной электронной поляризации, сделанное, чтобы облегчить изложение, совсем не нужно; можно показать, что при любой электронной поляризации изложенный метод, т. е. облучение образца микроволновым источником с частотой Ω_— = (Ω_S — Ω_I), уравнивает ядерную поляризацию с электронной. Легко также показать, что облучение флип-флиповой частотой Ω₊ = (Ω_S + Ω_I) приводит к ядерной поляризации той же величины, но с обратным знаком. Необходимо отметить важность быстрой электронной релаксации. Каждый из спинов 5 «обслуживает» тысячи спинов I. Не успел он флип-флопнуть с одним спином I, как он же должен поскорее вернуться в состояние «вверх», чтобы заняться другим. Эта быстрая релаксация требует качеств, напоминающих те, которыми по легенде располагал царь Соломон, что побудило меня назвать этот метод ядерной поляризации «методом царя Соломона». (По просьбе Дебьеса я однажды прочел лекцию об этом методе группе школьных учителей и учительниц. Объясняя происхождение названия «метод царя Соломона», я вдруг заметил в первых рядах трех монахинь, учительниц из католических школ, которые прилежно записывали все, что я говорил.)

В публикациях я предпочитал название «солид-эффект», чтобы подчеркнуть отсутствие относительного движения электронных и ядерных спинов для контраста с жидкостями и металлами. В 1958 году я решил проверить эту идею экспериментом. Чтобы выиграть время, я поручил роль электронного спина 5 ядерному спину с ларморовской частотой, в несколько раз большей, чем у ядерного спина I. Я выбрал кристалл фтористого лития LiF, где роль спина 5 играл спин 19F, а спином I был 6Li, с ларморовской частотой, в шесть раз меньшей. Работая снова с Проктором, в двадцать четыре часа мы проделали успешно опыт и доказали, что «солид-эффект» существует. Несколько позже с Комбриссоном и еще с одним молодым сотрудником мы повторили опыт, но на этот раз с настоящим электронным спином S. Эра ДЯП началась. Интересно заметить, что, перечитывая свою женевскую работу несколько лет спустя, я открыл, что, если читать между строками, принцип «солид-эффекта» был там ясно указан, но в течение трех лет никто, включая меня, этого не заметил. Мне повезло, что я оказался первым.*

А что же насчет применений резонанса к атомной энергии? Никого из моих начальников это не беспокоило. Со своей стороны я не считал нужным затрагивать этот вопрос в моих отношениях с ними. Вначале мой сотрудник Гольдман сделал одну или две попытки в этом направлении, но, так как никто, во всяком случае я, его особенно не поощрял, он перешел к другим занятиям. Позже в Сакле была основана лаборатория, деятельность которой была сосредоточена на такого рода применениях. Я им не завидовал и с ними не соперничал.

Перечислю моих первых сотрудников. Я к ним буду возвращаться еще не раз. Кроме Комбриссона и Соломона я назову в порядке, который более или менее совпадает с их появлением в моей лаборатории, Жозе Эзратти, Андрея Ландесмана, Мориса Гольдмана, Мишеля Боргини, Жака Винтера, Шарля Ритера. ((José Ezratty, Andre Landesman, Maurice Goldman, Michel Borghini, Jacques Winter, Charles Ryter). За исключением Гольдмана, который заменил меня, когда я оставил свою лабораторию в октябре 1985 года, все они ушли раньше меня и их заменили другие. В моей памяти особое место занимает Алле (Allais) (имя я забыл) — высокий, красивый, спокойный и ласковый, умный, одаренный. Этому молодому политехнику, казалось, была обещана блестящая будущность. Он работал с Комбриссоном над динамической поляризацией в жидкостях. Но однажды, он пришел ко мне и сообщил, что совесть не позволяет ему взирать равнодушно на бедствия тех, кого тогда еще не называли «третьим миром». Он решил уехать в Индию и поселиться там в деревне, чтобы помогать крестьянам улучшать их земледелие. Ничто из того, что я ему тогда сказал, пытаясь отговорить от этого предприятия, на него не подействовало. Я помню, это произошло в 1958 году, как раз когда де Голль пришел к власти после Алжирского путча, от которого многие во Франции, и я в том числе, ничего хорошего для демократии не ожидали. Когда Алле уезжал, я сказал ему: «Пришлите ваш адрес, кто знает, может быть, я сам к вам приеду». С тех пор я о нем ничего не слышал.

Были иностранные гости — на различные сроки; среди них мой друг Паунд, который сотрудничал у нас с англичанином из Оксфорда Реем Фриманом (Ray Freeman), впоследствии блестящим специалистом по ЯМР высокого разрешения, недавно изменившим Оксфорду и занявшим (о ужас!) кафедру в Кембридже. Был и Уорен Проктор, о котором я уже говорил и с которым у нас было двухлетнее замечательно успешное сотрудничество.

В том же 1958 году я получил премию имени Гольвека (Holweck), основанную после войны в честь физика Фернанда Гольвека, убитого немцами во время оккупации. С 1946 года эта премия присуждается каждый год, поочередно французскому физику Британским физическим обществом и британскому физику Французским физическим обществом.

Среди британских лауреатов мне доставляет удовольствие назвать моих добрых друзей Блини и Курти, а также четырех Нобелевских лауреатов: Габора, Джозефсона, Райла и Хьюиша (Gabor, Josephson, Ryle, Hewish). Я однажды заметил, что только два французских Гольвекских лауреата — Кастлер и Неель — получили Нобелевскую премию. Это доказывает, что наше общество выбирает лауреатов Гольвекской премии гораздо лучше, чем британское. Премия невелика, но с ней связана очень приятная трехдневная поездка с супругой в другую страну, где лауреата принимают очень радушно. Лауреат «расплачивается» за гостеприимство так называемой Гольвекской лекцией о своих работах. Я прочел свою лекцию в Кембридже, в той самой аудитории, где почти на век раньше преподавал Максвелл. Затем мы побывали в Оксфорде, где «я был принят как вернувшийся блудный сын».

Библия

В 1955 году Морис Прайс сообщил мне, что издательство Оксфордского университета (Oxford University Press или OUP) предложило ему написать книгу о магнитном резонансе. То ли у него не было времени, то ли охоты, то ли ни того, ни другого, поэтому он назвал меня, и OUP попросило его, чтобы он сам предложил мне авторство. «Теперь самое время», — бойко заявил он, — «вы только что закончили курс лекций по ЯМР и курс по ЭПР. Переведите все это на английский и отошлите OUP в одной папке, вот и все». У меня не было опыта написания книг; до сих пор я их только читал в большом количестве, но мне было ясно, что это не так просто.

Больше всего меня одновременно и привлекало, и отпугивало то, что эта книга (пока еще не написанная) будет принадлежать к знаменитому собранию монографий OUP. До войны я созерцал со священным трепетом на полках университетской библиотеки их знаменитые заглавия, тисненые золотом на корешках их знаменитых темно-зеленых переплетов: «Принципы квантовой механики» Дирака — величайшая из книг по физике, «Теория атомных столкновений» Мотта и Месси, «Квантовая теория излучения» Гайтлера, «Теория электрических и магнитных восприимчивостеи» Ван Флека, «Принципы статистической механики» Толмена — замечательные книги, источники мудрости, в которых я утолял свою жажду знаний. Могло ли статься, что мое несовершенное творение будет стоять на полках рядом с ними?

Я согласился с трепетом. Через несколько недель я получил два экземпляра контракта, которые по качеству бумаги и шрифта напоминали скорее дипломатический договор, чем простое коммерческое соглашение; OUP уже демонстрировало качество своей продукции. Контракт был кабальный: OUP оставляло за собой все права за передачу по телевидению и возлагало на меня всю ответственность в случае судебного преследования за непристойность. И все-таки я согласился, подписал один экземпляр контракта, засвидетельствовал свою подпись и отослал его в Оксфорд. Жребий был брошен.

Прайс легкомысленно говорил о книге в 300 страниц об ЭПР и ЯМР вместе, в то время как одни только записки моих лекций превышали этот объем в два раза. Я пришел к заключению, что надо выбирать: ЭПР или ЯМР. В 1955 году гораздо лучше меня знали по моим работам по ЭПР, чем по ЯМР; друзья советовали выбрать ЭПР — где меня уважали как эксперта, а не ЯМР, где я считался новичком. Но я не был убежден, что они правы. Хотя я действительно тогда еще мало написал работ по ЯМР, однако за предыдущие пять лет я прочитал большую часть того, что стоило читать в этой области. Кроме того, я предвидел в будущем больше возможностей для ЯМР, чем для ЭПР. Наконец, для моей новорожденной лаборатории я видел в ЯМР массу вещей, за которые можно было взяться сразу, и ничего подобного в ЭПР. Итак, еще один жребий был брошен — был выбран ЯМР.

Смело взяв (иные скажут нахально) пример с Дирака, я назвал книгу «Принципы ядерного магнетизма». На русском языке заглавие было просто «Ядерный магнетизм»; с моим желанием отдать честь Дираку, как вообще с любым моим желанием, связанным с переводом моей книги, не посчитались, что не удивительно, так как моего мнения никто не спрашивал. Как научный работник и педагог я, конечно, был очень доволен, что книга переведена на русский язык; но сожалел, что она была напечатана на скверной бумаге, что мне не сказали, каков был тираж, и, самое главное, что, несмотря на наличие большого спроса на нее среди учащейся молодежи, ее никогда не переиздавали. «У нас этого не делают», — объяснили мне. Дело, конечно, не в гонораре, который меня мало интересовал, а в желании любого автора найти признание у читателя. Технически перевод был, безусловно, компетентен. Что касается его литературных качеств, то на вопрос профессора Скроцкого, редактора перевода всех моих книг на русский язык о моем мнении о литературном качестве перевода другой моей книги, я ответил: «Вы не Пастернак, да ведь и я не Шекспир».