Ирина Радунская - Кванты и музы
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…
Так искусный эксперимент оплодотворил теорию, а теория в свою очередь объяснила мотивы интуитивного выбора опыта.
…Итогам прошлого, плодам настоящего, планам на будущее и была посвящена ассамблея в Черновцах, с которой мы начали этот рассказ. В ней участвовали учёные, отдающие свои силы исследованию магнитных процессов, главную роль в которых играют электроны и атомные ядра.
«Провоторовская идея», «провоторовская концепция», «провоторовский подход» — это частое повторение, звучавшее в большинстве докладов, не могло не зацепить внимания журналистов.
Кто же такой этот Провоторов?
И по складу ума и по образованию Провоторов — физик широкого диапазона. Он рано понял, что теория размагничивания противоречива. И начал искать возможность связать концы с концами. Суть его теории попробую продемонстрировать наглядным опытом.
Заглянем в лабораторию некоего физика в тот момент, когда он занят совсем, казалось, не профессиональным делом: запалив горелки, ставит на газовую плиту ведро и маленькую кастрюльку с водой, а затем опускает в них по сырому яйцу.
Подождём вместе с ним до тех пор, пока вода в каждом из сосудов закипит и он не выключит горелки. Что произойдёт после этого? Ничего. Физик сядет на табурет перед плитой и, глядя на ведро и кастрюльку, конечно, погрузится в раздумья…
Что ж, и нам придётся составить ему компанию.
Можно ли предсказать, что будет с каждым из яиц после того, как вода в соответствующих сосудах остынет настолько, что яйца можно безопасно извлечь рукой?
Каждая хозяйка знает, что, вынув яйцо из только что остывшей маленькой кастрюльки, его нужно быстро положить на стол, иначе рискуешь обжечь руку. Внутренность яйца ещё долго остаётся горячей и вновь нагревает скорлупу, не охлаждаемую более водой.
Но в остывшем ведре всё яйцо, включая его внутреннюю часть, успеет остудиться практически до той же температуры, что и окружающая его вода. (Конечно, если подождать достаточно долго, то успеет охладиться и яйцо, лежащее в кастрюльке.)
Учёные, развивающие вплоть до начала 60-х годов теорию парамагнитной релаксации — так в учебниках именуется процесс размагничивания вещества, — единодушно исповедовали «ведёрную» модель явления: электроны и ядра внутри твёрдого тела ведут себя подобно яйцу в большом ведре. Взаимодействие всех частей сложной системы, именуемой веществом, происходит так, как между яйцом и водой в ведре: температура «яиц» и «воды» в любой момент времени практически совпадает.
И только молодой советский физик Провоторов обратил внимание на то, что это убеждение, по существу, ни на чём не основано. Он утверждал, что гораздо лучшей моделью могло бы послужить яйцо в маленькой кастрюльке. Не предположив, что температура в разных частях яйца различна, невозможно понять, как сваренное в маленькой кастрюльке яйцо может сохранить жидкий желток, окружённый твёрдым белком. Это небольшое на первый взгляд уточнение привело Провоторова к далеко идущим последствиям.
У него начала созревать теория, которая сегодня во всём мире называется провоторовской. Он же придал своей концепции безупречную математическую форму.
