Проклятые вопросы

ЧЕРЕЗ МАГНИТНУЮ ЛУПУ

В начале прошлого века тринадцатилетний сын лондонского кузнеца после кратковременного пребывания в начальной школе поступил в обучение к переплётчику. Там он мог утолить свою жажду чтения. Стоит ли думать о том, как сложилась бы его судьба и история науки, если бы ему пришлось обучаться другому ремеслу?

Майкл Фарадей не просто читал, а набирался знаний. Начал посещать публичные лекции. Лекции замечательного химика Дэви покорили юношу, и он послал Дэви письмо с просьбой принять его на работу. Так Фарадей проложил себе дорогу в науку.

Естественно, что, начав работать с Дэви, Майкл стал химиком. Но его тянуло к физике. Отсутствие систематических знаний математики наложило характерный отпечаток на все исследования Фарадея. Он был смелым и гениальным экспериментатором. Некоторые ограничивают его роль именно великими экспериментальными открытиями. Но он был, пожалуй, ещё более великим провидцем. Стремился и умел находить общность в, казалось, отдалённейших областях науки, в совершенно несхожих явлениях. Он был глубоким теоретиком, способным проникать мысленным взором в самую суть вещей и явлений, и формулировал свои мысли в столь чёткой форме, что и в словесном выражении они не уступали математическим теоремам. Вот что писал по этому поводу Максвелл: «По мере того как я продвигался вперёд в изучении Фарадея, я убедился, что его способ понимания явлений также имеет математический характер, хотя он и не предстаёт нам облачённым в одежду общепринятых математических формул…»

Фарадей пришёл к глубокому убеждению о единстве природы и стремился отыскивать всё новые и новые доказательства этого единства. «…Теперь мы знаем, — писал Фарадей, — что он (магнетизм. — И. Р.) действует на все тела и находится в самой тесной связи с электричеством, теплотой, химическим действием, со светом, кристаллизацией, а через последнюю и с силами сцепления».

Фарадей проделал огромное количество опытов, вскрывающих единство того, что он называл силами, а в современной терминологии является различными формами энергии. Но величайшим открытием Фарадея, величайшим после Ньютона, является его теоретический вывод о существовании полей. Он отождествлял поля с материей, считая, что она проникает через все тела и заполняет всё пространство.

Пространство Ньютона — пассивное вместилище тел и зарядов. Пространство Фарадея — средоточие явлений, источник и передатчик сил, действующих на тела и заряды.

Внимание! Сейчас последует величайший для всей истории изучения и покорения света вывод. Пространство, наполненное силовыми линиями, делает ненужным понятие эфира. Ненужным! Можно представить себе, что свет есть не что иное, как дрожание силовых линий.

«Если допустить такую возможность, — пишет Фарадей, — то можно было бы обойтись без эфира…»

Максвелл поставил перед собой цель — придать идеям Фарадея математическую форму. Максвелл рано пристрастился к математике. Свою первую научную работу он выполнил за год до поступления в университет. В то время ему было лишь пятнадцать лет. Во всём блеске математическое дарование Максвелла проявилось при решении задачи, казавшейся совершенно недоступной обитателям Земли. Речь идёт о загадке колец Сатурна, открытых, как мы знаем, ещё Гюйгенсом. За века, прошедшие с тех пор, высказывалось множество гипотез о природе этих колец. Но никто не мог предложить способа проверки их истинности. И то, что было и до недавнего времени оставалось недоступным для опыта, оказалось решённым на листе бумаги. Максвелл расчётным путем показал, что кольца не сплошные образования — твёрдые или жидкие. Они должны состоять из множества отдельных тел, вращающихся по близким орбитам. В наши дни это подтверждено фотографиями с космических аппаратов, пролетающих вблизи Сатурна. Важное значение для науки имеют и работы Максвелла по кинетической теории газов, но самых ценных результатов он добился, развивая идеи Фарадея.

После долгой и кропотливой работы в период 1860–1875 годов Максвелл создал теорию, в которой электрические и магнитные силы природы объединены в понятие единого электромагнитного поля, включающего видимый свет, невидимые ультрафиолетовые и инфракрасные лучи.

Он свёл всё известное людям об электричестве и магнетизме к удивительно простым уравнениям. Именно они сообщили, что свет — это электромагнитные волны, способные распространяться в пустом пространстве так же легко, как в прозрачных телах. Из уравнений следовало, что эти волны могут существовать сами по себе. Они представляют собой реальность, ранее неведомую людям и внезапно появившуюся перед учёными, как могучий хребет из-за рассеявшегося тумана.

По признанию одного из крупнейших физиков нашего времени, даже «современные представления не могут служить основой для понимания этих электромагнитных колебаний, которые не сводятся к классическому и наглядному представлению о колебаниях материального тела; висящие в пустоте, если можно так сказать, они выглядят для непосвящённых (а может быть, даже и для физиков) чем-то довольно таинственным». Чего же требовать от современников Максвелла! Несмотря на свои невероятные свойства, эфир прочно утвердился в их умах, ибо люди, сформировавшие свои взгляды под влиянием ньютоновской физики, идеалом которой было сведение всех явлений к механическим, не могли отказаться от эфира как переносчика световых волн. Не могли поверить в самостоятельную сущность света и других, ещё неведомых волн.

Теория Максвелла явилась в науке первым этапом немеханической физики, первым этажом в грандиозной пирамиде всё усложняющихся абстракций. Мы увидим, что трудности, связанные с освоением новых абстракций, возникнут вновь, когда наступит эра теории относительности и квантовой механики.

Уравнения Максвелла содержали в себе не только описание известных явлений, но и предсказали существование новых волн, открытых впоследствии, в том числе радиоволн. Уравнения не содержали лишь одного — в них не было ничего, относящегося к световому эфиру и его поразительным свойствам. Эфир просто остался за бортом теории Максвелла, но это никак не мешало ей уверенно помогать развитию науки. Для некоторых учёных эфир стал просто синонимом пустого пространства.

Через двенадцать лет Герц обнаружил на опыте предсказанные теорией Максвелла электромагнитные волны. Однако традиции механистической физики не были сломлены. Многие физики упорно пытались подвести под теорию Максвелла ходули привычной наглядности. Они объясняли: электромагнитные поля Максвелла — это особые натяжения эфира. Такое объяснение не пугало, ведь свет принимали за поперечные волны в эфире.

Другие, продолжая считать эфир реальностью, предпочитали забывать о его противоречивых свойствах, относя эфир в разряд непознаваемых невесомых субстанций.

XIX век перевалил в свою вторую половину под торжественные звуки фанфар. Здание науки уже красовалось многими башнями и казалось построенным на века.

Рассказывают, что один молодой человек, мечтавший заниматься теоретической физикой, поведал о своей мечте маститому Томсону. И тот отговаривал молодого физика, потому что теоретическая физика, по существу, закончена и в ней нечего делать. Это было в начале XX века.

Но Томсон ошибался, как ошибались многие и до и после него, считая, что достигли предела знаний, не понимая неисчерпаемости природы, безграничности процесса познания.

Наука манит своих слуг чарующим видом сияющих вершин, и они без устали карабкаются по каменистым тропам, стремясь ввысь и пренебрегая устрашающими пропастями. Бывает и так: человек строит башню, чтобы с неё видеть дальше и больше. И другие нетерпеливо помогают ему. А у подножия башни образуется зияющий провал, грозящий поглотить строителей и их гордое творение, если они не сумеют вовремя укрепить фундамент…

Выдающийся немецкий физик Кирхгоф, уже прославившийся тем, что установил законы распространения электричества по проводам, ничем не отличавшиеся от законов, управляющих течением жидкости по трубам, настойчиво изучал оставшиеся ещё не вполне ясными свойства упругих тел. Судьбе было угодно столкнуть его с замечательным химиком Бунзеном, успевшим прославиться изобретением угольно-цинкового гальванического элемента, а затем, с его помощью, он получил металлический магний, литий, кальций и стронций.

Потеряв глаз при взрыве во время одного из опытов, тяжело отравившись мышьяком, Бунзен оставался оптимистом и видел многое, скрытое от других. Он проложил дорогу химии металлоорганических соединений и химии радикалов и стремился создать метод химического анализа, пригодный для контроля металлургических процессов. Здесь основным требованием была быстрота — качество, почти недоступное химии.

Итак, они встретились, и совместная работа закипела. Они начали изучать спектры пламени, окрашенного солями различных металлов, пользуясь спектроскопом и газовой горелкой, специально изобретённой Бунзеном. Эта горелка, существующая поныне, даёт почти бесцветное пламя. Её потомки трудятся и в газовых плитах, и в огромных топках.

После Ньютона не только в лабораториях, но и в светских гостиных увлекались разложением белого света на радужные полоски. Но лишь в самом начале XIX века Волластон соединил призму с узкой щелью в камере-обскуре. Так возник спектроскоп. Спектр получился в нём необычайно ярким, как хвост жар-птицы. Цвета были насыщенными, свободными от белесой дымки, мешавшей всем предшественникам Волластона. На фоне радужной полоски Волластон увидел семь тёмных линий. Он принял их за границы, разделяющие цвета спектра, и не придал им никакого значения. Мелкий факт, вполне понятный. Что могло быть более обычным, чем границы в ту пору — пору мелких княжеств и враждующих государств.

Неудивительно, что об этом открытии вскоре забыли. Один из многих печальных случаев в истории науки.

Задумав увеличить яркость изображения при наблюдении спектров, Фраунгофер соединил воедино зрительную трубу со щелевым спектроскопом Волластона и направил в свой прибор солнечные лучи. Прекрасный яркий спектр пересекали чёткие тёмные линии… Сотни линий…

Спектроскопы Фраунгофера завоевывали всё большую популярность. Многие любовались чарующей симфонией света. Но «смотреть» не означает «видеть». По своему смыслу «видеть» гораздо ближе к «понимать». Именно это имеет в виду англичанин, спрашивая: «You see?»

Никто не может сказать, сколько человек, начиная с Ньютона, рассматривали всевозможные спектры. Несомненно, многие замечали, что окраска пламени связана с появлением в его спектре узких ярких линий. Возможно, кто-нибудь заметил и то, что жёлтые линии, порождаемые поваренной солью, возникали при внесении в пламя других солей натрия. Зелёные линии появлялись не только в присутствии металлической меди, но и при нагревании мельчайших крупинок медного купороса и других солей меди.

Кирхгоф и Бунзен после длительных опытов и раздумий пришли к твёрдому выводу — Тальбот прав, говоря: «Когда в спектре пламени появляются определённые линии, они характеризуют металл, содержащийся в пламени». Более того, каждый химический элемент характеризуется вполне определённым набором спектральных линий. Эти линии являются своеобразным паспортом химического элемента. Наблюдая их в спектроскоп, можно судить о наличии в веществе данного элемента.

Так родился спектральный анализ.

Вскоре после начала совместных работ Бунзен и Кирхгоф открыли два новых элемента, которым они дали наименование цезий (от латинского «голубой») и рубидий (красный) в соответствии с цветом характерных для этих элементов спектральных линий. Открытие убедительно продемонстрировало мощь нового метода. В развитие и применение спектрального анализа включилось множество учёных.

Один за другим были открыты таллий, индий, галлий; последний предсказан Д. И. Менделеевым на основании его периодического закона.

В спектре Солнца обнаружились линии, не совпадающие с какими-либо из известных на Земле. Так люди познакомились с гелием, лишь впоследствии найденным в земных условиях. Это был триумф. Но, пожалуй, много большее научное и философское значение имел постепенно крепнувший вывод о единстве мира, проявляющемся в том, что вся Вселенная состоит из одних и тех же элементов.

В 1888 году Гельмгольц писал, что открытие спектрального анализа вызвало восхищение всех людей и возбудило их фантазию в большей мере, чем какое-либо другое открытие, потому что оно позволило заглянуть в миры, представлявшиеся нам совершенно недоступными.

Постепенно оказалось, что спектральные линии элементов расположены отнюдь не хаотически, а подчиняются вполне определённым закономерностям. Стало ясно, что они связаны с какими-то особенностями самих элементов. Многие спектральные линии удалось сгруппировать в серии, подчиняющиеся очень простым математическим зависимостям. Удалось обнаружить простые числовые коэффициенты, входящие в формулы для нескольких различных серий, в том числе и таких, которые относятся к различным элементам. Но что означает этот порядок? Вследствие чего он существует? Природа как бы бросала вызов учёным. И манила в дебри материи, обещала прозрение её тайн…

Тайны спектральных линий постепенно ложились всё более тяжким грузом не только на специалистов по спектральному анализу, но и на склонных к обобщениям мыслителей, стремившихся превратить неупорядоченные груды фактов в строгую конструкцию теории.

Вот эти факты.

1870 год. Стони обратил внимание на то, что частоты трёх главных линий спектра водорода относятся как целые числа — 20:27:32.

1871 год. Стони вместе с Рейнольдсом установил, что частоты линий спектра хлористого хромила находятся в простых отношениях с совершенно неожиданными величинами — частотами гармонических колебаний скрипичной струны.

1885 год. Бальмер показал, что числа, полученные Стони, — частный случай более общего закона, в выражение которого входит одна постоянная величина, число 2, и переменная величина, принимающая целочисленные значения: 3, 4, 5 и так далее.

Работа Бальмера вызвала резонанс в умах экспериментаторов. Через несколько лет Ридберг нашёл подобные закономерности, объединяющие серии линий в спектрах таллия и ртути. А затем Кайзер и Рунге начали фотографировать спектры элементов, что позволило упростить процесс измерения, и непонятные закономерности посыпались как из рога изобилия.

Первое десятилетие XX века не изменило положения. Оно, пожалуй, только ещё больше запуталось, когда в 1904 году Лайман нашёл новую серию спектральных линий водорода в ультрафиолетовой части спектра, невидимой глазу, а в 1909 году Пашен обнаружил столь же невидимую серию в инфракрасной части спектра водорода.

Самым удивительным было то, что эти новые серии описываются формулами, очень похожими на формулу Бальмера, а большая постоянная величина, входящая в них, оказалась в точности повторенной. Такое не могло быть случайным. Теперь эта величина называется постоянной Ридберга.

В 1908 году Ритц, пытаясь выяснить характер спектральных закономерностей, уловил странные связи между числами, характеризующими частоты спектральных линий. Оказалось, что простым сложением или вычитанием частот каких-либо двух линий можно получить частоту третьей линии. Так были найдены новые, ранеё неизвестные слабые спектральные линии. Правда, не все предсказания подтверждались. Но хотелось думать, что отсутствующие линии просто слишком слабы и в будущем их удастся обнаружить.

Многим в то время уже было ясно, что в спектральных сериях зашифрованы сокровенные тайны атомов. Пуанкаре, обсуждая спектральные закономерности, напоминающие законы колебаний струн, мембран и органных труб, и признавая бессилие науки перед этими фактами, писал: «…я думаю, здесь заключена одна из самых важных тайн природы». Цыплёнок нового закона отчётливо стучал в скорлупу, но никто не мог помочь ему пробиться к свету.

Загадка атома пришла к нам из глубокой древности, и XIX век лишь усложнил её, не дав никакой надежды на её решение.

Демокрит приписывал атомам только два свойства — величину и форму, Эпикур добавлял третье — тяжесть. Но века не могли подтвердить или опровергнуть догадки древних. Периодически учёные то увлекались идеей делимости вещества, то пренебрегали ею.

В самом начале XIX века Риттер предположил, что не только вещество, но и электричество состоит из атомов. В середине века Вебер писал о том, что движение атома электричества вокруг материального ядра может объяснить оптические и тепловые эффекты. В 1881 году Стони рассчитал величину атома электричества. Забавно, что эта величина в течение десяти лет существовала безымянной, пока Стони не дал ей имя «электрон».

…Маленькая страна Голландия известна большинству как страна тюльпанов и сыра. Но истинную её славу создал скромный молодой человек, впоследствии один из величайших физиков, Хендрик Антон Лоренц.

Студент Лейденского университета, он в восемнадцать лет получил диплом кандидата наук с отличием и жадно искал в науке необыкновенных деяний. Фортуна улыбнулась ему и подсунула в библиотеке физической лаборатории пачку нераспечатанных конвертов. Там лежали никем не читанные журналы, и в одном из них малоизвестный в Лейдене англичанин Джеймс Максвелл рассказывал об удивительной тайне, открытой ему уравнениями: Вселенная, оказывается, купается в океане электромагнитных волн, и всё, что мы видим вокруг, — игра волн и материи. Правда, полученные результаты Максвелл излагал очень скупыми фразами, почти терявшимися среди математических выкладок. Физики старшего поколения знали за ним эту особенность, привыкли к тому, что его трактаты трудны для понимания. Может быть, поэтому работы Максвелла никто в Лейдене не читал.

Это были семидесятые годы позапрошлого столетия. В то время ещё не нашелся ум, способный оценить новую вспышку максвелловского гения. Не только в Лейдене, но и в других научных центрах математическая форма, непривычная для физиков тех лет, затрудняла понимание сути дела, а сама идея Максвелла была столь ошеломляюща, что прошло ещё несколько десятилетий, пока получила общее признание.

Лишь через двенадцать лет живший в Германии талантливый физик-экспериментатор и теоретик Генрих Герц обнаружил на опыте электромагнитные волны, а затем молодой инженер-электрик русского флота Александр Попов применил их для связи, вернее, для радиосвязи, как говорят теперь.

Лоренц понял Максвелла, сразу поверил ему и без колебаний пошёл за ним, а затем и новым, уже своим собственным, путём. Он не только проник в смысл максвелловской идеи и развил её дальше, но объединил электромагнитную теорию с электроном и создал таким образом электронную теорию вещества.

Согласно новой трактовке, в безбрежный океан электромагнитных полей вкраплены отрицательные электрические заряды — электроны, сочетания которых с положительными зарядами образуют все существующие тела.

Взаимодействие полей и зарядов создаёт всё многообразие мира. Даже вещество, представляющееся электрически нейтральным, заключает в себе совокупность взаимно компенсирующихся электрических зарядов.

На основе своей модели Лоренц не только сумел объяснить ряд фактов, не понятых современниками, но и предсказал явления, о существовании которых не подозревал дотоле ни один человек.

…Принято считать, что поколения людей сменяют друг друга каждую четверть века. Конечно, мы живём дольше. Но история показывает, что в среднем каждые двадцать пять лет в активную жизнь вступают массы людей, вооружённых новыми умениями, обладающих новыми стремлениями, опирающихся на современные знания. Среди учёных смена поколений происходит ещё чаще. Каждое десятилетие в лаборатории вливается молодёжь, готовая к тому, чтобы обогнать своих учителей, взглянуть на старые проблемы свежими глазами, найти новые, неожиданные решения.

Наверное, это имел в виду Макс Планк, говоря: «Обычно новые научные истины побеждают не так, что их противников убеждают и они признают свою неправоту, а большей частью так, что противники эти постепенно вымирают, а подрастающее поколение усваивает истину сразу».

Великий Лоренц, дожив до рождения теории относительности и квантовой физики, с восхищением приветствовал все новшества, но… в пределах классической физики, в пределах той модели мира и образов, в которых сам был воспитан.

Ничто не казалось ему более ясным, чем взаимодействие электромагнитного поля с электроном — этот ключевой акт, на котором основана работа всех электрических приборов, машин, двигателей. Ничто не представлялось ему более красноречивой иллюстрацией этого акта, чем оптический спектр вещества.

Как и любой физик, он отлично знал, что каждое вещество имеет свой оптический паспорт-спектр. В нём нет ни чего, кроме тёмных или окрашенных в различные цвета полосок. Не посвященному в тайны науки человеку эти полоски не скажут ничего. Но физик по этим линиям может определить характер и строение вещества, даже если оно находится от него на расстоянии многих световых лет. Так люди узнали о составе звёзд и планет, о строении межзвёздной среды, о существовании на Солнце ещё не открытого на Земле элемента, названного затем гелием.

Линии спектра отражают многие тайны жизни макро— и микромира.

Когда Лоренц задумался над магией спектров, часть из этих тайн была уже расшифрована. Но гораздо большая их масса дразнила своей неразрешимостью. Одна из загадок особенно волновала воображение Лоренца: некоторые линии спектров атомов расщеплялись. Иногда они как бы расплывались или же удваивались, даже утраивались. Что это означает? Какие явления природы скрыты в таком зашифрованном виде?

Постепенно было установлено, что так проявляется влияние магнитного поля на исследуемое вещество. Но детали, подробности, глубина явления ускользали от исследователей. Лоренц сознавал, что его теория неспособна описать, объяснить это загадочное поведение линий спектров. Лишь через десятилетия с помощью квантовой теории было установлено, что причина крылась в магнитных свойствах электронов и ядер атомов.

Изучение этих свойств стало задачей учёных начала XX столетия. Но ни Лоренц, ни другие великие классики не могли с ней справиться. «Старикам» мешали запреты классической физики. Они признавали, что квантовая механика позволяет правильно рассчитать все детали расщепления спектральных линий. Признавали, но не хотели примириться с тем, что квантовая механика не могла нарисовать детальной картины явления и принуждала их мыслить абстрактно, оперировать только формулами.

Для людей, взгляды которых сформировались на основе классической физики, возникало затруднение: формулы квантовой физики заставляли их отказываться от привычной связи между причинами и следствиями, требовали признания невозможности точного и полного описания событий, происходящих в микромире.

Ответ должна была дать новая идеология. Лоренц не примирился с её радикальными положениями до конца своих дней. Он так и не нашёл правильную дорогу к полному пониманию законов магнетизма.

Сфере отношений электромагнитного поля и материи посвятил свою жизнь младший соотечественник Лоренца, его ученик Корнелис Якоб Гортер, впоследствии член ряда академий.

Он был молод, рождён XX веком, новые представления не казались ему ночным кошмаром. Он поклонялся старому богу — классической физике и её жрецу — своему учителю, но уже не мог не верить новым богам — квантовым закономерностям и их «апостолам» — Бору, Гейзенбергу, Шрёдингеру, де Бройлю, Дираку. Вооружённый их идеями, Гортер продолжил исследования магнитных свойств вещества.

Он играл в простую игру. Брал самодельный электромагнит, между его полюсами всовывал кусочки различных материалов — металлов, кристаллов, ампулы с жидкостями — и то включал, то выключал электрический ток в обмотке электромагнита. Гортер как бы просвечивал вещества магнитным полем. И наблюдал, что при этом происходит. Игра простая, но она привела Гортера к пониманию важных законов строения вещества.

Намагничивая различные кристаллы и жидкости при помощи сильного электромагнита и наблюдая, как исчезает эта намагниченность после выключения внешнего поля, он сумел получить ряд новых и ценных сведений о строении вещества, о влиянии теплового движения атомов на поведение твёрдых тел и жидкостей.

Казалось, само время шло навстречу Гортеру. Оно подбросило ему ещё одного помощника — радиоволны. Родилась электронная лампа. Из рук связистов она перешла в лаборатории физиков, и всё большему числу учёных становилось ясно, что, просвечивая вещества радиоволнами, можно проникнуть в тайны их строения более успешно, чем с помощью одного лишь магнитного поля.

Теоретики, опираясь на уравнения квантовой механики, предсказывали, что, пробираясь сквозь дебри, образованные внутренней структурой реальных тел, радиоволны разных частот ведут себя различно. Они по-разному поглощаются веществом — то в большей, то в меньшей степени. И это поглощение сильно зависит от частоты радиоволны и от величины и направления внешнего магнитного поля.

Где-то на какой-то частоте — специфической для данного вещества — должен возникнуть особый эффект: самое сильное поглощение, пик поглощения. Его называют «резонанс». Во многих веществах следовало ожидать появления нескольких резонансных пиков, характерных именно для них. Почему это так заинтересовало исследователей? Потому что обещало прояснить скрытые ранеё тайны поведения вещества.

Теория подсказывала, что многообещающими должны быть исследования кристаллов, особенно в том случае, когда во время облучения радиоволной они находятся в поле сильного магнита. Наиболее интересными казались именно те кристаллы, магнитные свойства которых изучал Гортер и его ученики.

Какие же явления происходят при этом в недрах кристаллов? Некоторые атомы, входящие в кристаллы, ведут себя как маленькие магнитики, стремящиеся, подобно стрелке компаса, повернуться в направлении внешнего магнитного поля. Но хаотическое тепловое движение окружающих атомов не даёт им послушно следовать велению магнитного поля. Они толкают «магниты» и поворачивают их в разные стороны. Подобные случайные толчки мешают иной раз и стрелке компаса правильно указывать на север.

Ещё сильнее на крошки-магнитики могут действовать регулярные толчки, особенно если они попадут в резонанс с их колебаниями. Кому неизвестна катастрофа, вызванная тем, что шаги отряда солдат попали в резонанс с колебаниями моста и разрушили его! Вспоминаются и факты, при которых вибрации двигателей вызывали разрушения морских судов и самолётов. Резонанс, столь приятный в музыке, может оказаться весьма опасным в одних случаях и очень полезным в других, если суметь разумно им воспользоваться.

Читатель, наверное, уже догадался, что такие толчки в кристаллах можно создавать при помощи радиоволн. Тогда-то и может произойти то внезапное бурное поглощение энергии радиоволн атомами вещества, которое названо резонансным поглощением.

Теоретики подсказывали: изменяя настройку генератора радиоволн, можно легко обнаружить эти резонансы.

Что могло быть проще — вращай ручку настройки лампового генератора и наблюдай!

Дело было за экспериментаторами.

Не только Гортер, многие пытались опытным путём обнаружить эти загадочные резонансы, но тщетно. Никто не понимал, в чём была причина неудач… Гортер подошёл почти вплотную к открытию, но… прошёл мимо.

Обратимся теперь к научным событиям, происходившим в первой половине тридцатых годов в Казани. Этот древний город с устоявшимися культурными традициями славится своим университетом.

В нём учился Ленин. В его стенах работали замечательные математики, в том числе один из создателей неевклидовой геометрии Лобачевский, крупнейший химик прошлого Бутлеров и наши современники, известные химики — отец и сын Арбузовы.

Победное окончание Великой Отечественной войны совпало с одним из величайших достижений современной физики, ещё раз прославившим Казанский университет.

Евгений Константинович Завойский со студенческих лет вынашивал идею об использовании электромагнитных волн для изучения строения и свойств веществ. Его, как и Лоренца, завораживали тайны, скрытые в оптических спектрах атомов.

Сочетание этих линий, расположение в спектрах, их появление и исчезновение стали предметом раздумий Завойского.

Ещё в предвоенные годы стало ясно, что исследование спектров не должно ограничиваться оптической областью. Многое могли бы поведать спектры в радиодиапазоне. Но лишь прогресс в радиотехнике дециметрового и сантиметрового диапазона, связанный с созданием радиолокации, открыл возможности для новых спектроскопических исследований. Рождалась радиоспектроскопия.

Зарубежные учёные использовали новые возможности для изучения газов. Теория предсказывала, а опыт раз за разом подтверждал, что именно в газах можно наблюдать возникновение резонансов при поглощении радиоволн. Расшифровка этих резонансов позволяла узнавать всё новые детали строения молекул. И эта область экспериментальной работы привлекала всё большее число исследователей.

Теоретики, пролагая путь экспериментаторам, ставили перед собой интересные задачи в радиоспектроскопии газов. Многие из учёных обращались к загадке неуловимых резонансов в магнитных кристаллах. Проблемы, возникавшие здесь, были нелёгкими. Но недаром физики шутят: был бы факт, а теория найдётся. Появились расчёты, показывающие, что резонансы, которые искал Гортер и его последователи, вообще не должны наблюдаться.

Большинство физиков, занимающихся радиоспектроскопией, спокойно восприняли эти результаты. Учёные, работавшие в других областях, просто не обратили на них внимания. Завойский же, глубоко обдумавший сущность процессов взаимодействия радиоволн с веществом, не мог согласиться с подобными выводами.

Он восстал против авторитета теоретиков. Он понял, что неудачи попыток Гортера и других исследователей могут объясняться тем, что расчёты, на основе которых велись эксперименты, не опирались на правильные опытные данные. В эти расчёты помимо универсальных констант, таких, как постоянная Планка и некоторые другие, входили величины, ранеё полученные из опытов, основанных на применении постоянного магнитного поля.

Постоянное магнитное поле! А если?..

Говорят, что не меньше чем открытием Америки Колумб прославился решением знаменитой задачи о крутом яйце. (Тоже один из любопытных и плодотворных вопросов: как поставить вертикально яйцо, чтобы оно не упало?) Чтобы поставить его вертикально, Колумб просто надбил его.

Теперь нам кажется, что Завойский сделал очень небольшой шаг. Но этот шаг шёл в сторону от проторённой дороги. И он привёл молодого физика к успеху.

Почему все изменяли настройку генератора радиоволн, оставляя магнитное поле неизменным? — недоумевал Завойский. Такова традиция… Но есть ведь и другой путь. Пусть им ещё никто не шёл. Здесь есть свои трудности, но нет никаких разумных запретов. И Завойский решился. Вместо того чтобы вращать ручку своего генератора, перестраивая его частоту, как это делали исследователи до него, он оставил генератор в покое. Решил искать резонанс, меняя величину магнитного поля того магнита, между полюсами которого располагался кристалл. Для этого он плавно изменял величину электрического тока, протекающего по обмотке электромагнита, и непрерывно наблюдал, как радиоволны поглощаются веществом.

Так в 1944 году был впервые обнаружен замечательный эффект, долго ускользавший от самых опытных экспериментаторов, носящий несколько непонятное для непосвящённых наименование — электронный парамагнитный резонанс. Теперь мы с уверенностью относим открытие Завойского не только к самым замечательным, но и к самым плодотворным открытиям XX века.

Завойский обнаружил механизм, приводящий к поглощению радиоволн в кристаллах. Выяснилось, что этим механизмом управляли электроны, те самые электроны, что входят в состав некоторых ионов, образующих кристалл. Электроны оказались миниатюрными приёмниками радиоволн!

Перед экспериментаторами раскрылись необычайные возможности использований этого тонкого, гибкого, легко управляемого механизма для создания принципиально нового вида усилителя радиоволн. Ведь эти электроны в таком, ещё не созданном, усилителе связаны электрическими силами с атомными ядрами, а через них с самим кристаллом. Следовательно, настройка этих новых усилителей может изменяться. Она зависит как от строения кристалла, так и от входящих в него ионов. Изменяя структуру кристалла и вводя те или иные ионы в виде добавок, можно влиять на «грубую» настройку этого удивительного усилителя, а его точную настройку производить небольшим изменением величины постоянного магнитного поля.

Так родилась фантастическая идея усилителя, радикально отличающегося от всего известного ранее. В таком усилителе деталями служат не радиолампы, а электроны.

Открытие Завойского легло в основу нового типа усилителей радиоволн с чрезвычайно низким уровнем собственных шумов. И именно этот усилитель сделал возможной удивительную сенсацию, облетевшую весь мир, — локацию планет Венера, Меркурий, Юпитер, Марс.

«Магнитная лупа» стала ещё более зоркой, и учёные смогли разглядеть сквозь неё в микромире то, о чём даже не подозревали. Магнитная лупа стала модным методом физического исследования. С её помощью сделано много ценнейших открытий в области строения вещества, и особенно твёрдого тела и полупроводников.

Электронный парамагнитный резонанс раздвинул возможности химии. Сейчас его взяли на вооружение биологи, они приступили к изучению парамагнитного резонанса в биологических объектах, в живых клетках и организмах.

Открытие Завойского не только явилось триумфом нового экспериментального метода, но и подтверждением теоретических прогнозов. Оправдалось предположение о том, что при взаимодействии электронов с радиоволнами проявляются свойства вещества, остающиеся скрытыми, когда опыт сводится лишь к наблюдению за его намагничиванием и размагничиванием. Начался новый этап в наступлении на тайны материи.

Многие учёные увлеклись исследованием парамагнитных веществ, поисками новых эффектов и практических возможностей.

А. М. Прохоров, за открытие мазеров и лазеров удостоенный Нобелевской премии, вместе со своим аспирантом А. А. Маненковым одним из первых приступил к исследованию парамагнитного резонанса, стремясь проникнуть в сокровенные тайны нового явления. Главные усилия Прохорова и Маненкова были направлены на исследования парамагнитного резонанса в рубине. Они изучали природные и искусственные рубины. Выращивали их в лаборатории, заказывали на заводах.

Рубины давно славятся своей твёрдостью, поэтому широко применяются в качестве сырья для подшипников, используемых в часах и различных точных приборах. Но Прохорова и Маненкова привлекала в рубине не его твёрдость, а совсем иные достоинства. Наши учёные уже далеко продвинулись в исследованиях и частично опубликовали их, когда почта принесла из США в библиотеку Физического института АН СССР очередной номер журнала «Физические обозрения».

В этом номере опубликована статья Николса Блумберхена, в которой он предлагает использовать для усиления и преобразования сверхвысоких частот совершенно неожиданные материалы — фторсиликат никеля и этилсульфат гадолиния. Блумберхен был уже достаточно авторитетным исследователем, чтобы отнестись с большим вниманием к его статье. Соотечественник Лоренца и Гортера, он родился в 1920 году, окончил Лейденский университет, защитил докторскую диссертацию и затем пересёк океан в поисках более широкого применения своих способностей. В Америке его фамилию начали произносить на американский лад, и она зазвучала как Бломберген.

Блумберхен — физик-теоретик, отличающийся чётким и рациональным подходом к задачам и умением выявлять пути экспериментальной проверки и практического применения своих результатов. В этот раз его статья под названием «Квантовый парамагнитный усилитель» имела подзаголовок: «Предложение усилителя нового типа».

Что поражало в этом названии? Слово «квантовый» напоминало молекулярный усилитель Басова, Прохорова, Таунса. Слово «парамагнитный» заставляло связать прибор с работами Гортера и Завойского. Что же Блумберхен взял от одного и что от другого направления? И почему из всех заманчивых возможностей, открытых новым явлением, Блумберхен сосредоточил внимание на одном: усилении радиоволн?

Многие стремились создать квантовые усилители радиоволн. Однако первоначально практические перспективы открывались лишь в диапазоне коротких радиоволн, длиной в несколько десятков метров. Но мало кто надеялся и пытался реализовать эти возможности, ибо было ясно, что новые, сравнительно сложные усилители не могли конкурировать в этом диапазоне с обычными радиолампами и транзисторами.

Блумберхен пошёл своим путем, в котором оказались сплавленными два направления, исходящие из его родного университета. Он предложил применить явление парамагнитного резонанса, предсказанное Гортером и открытое Завойским, и работать в области сверхнизких температур при температуре жидкого гелия, впервые полученного в Лейдене Г. Каммерлинг-Оннесом.

В статье Блумберхена приведены не только уравнения, описывающие действие нового усилителя, но и оценки, показывающие, что такой усилитель должен обладать несравненно большей чувствительностью при приёме слабых сигналов, чем все известные ранее. Физиков особенно заинтересовал один аспект статьи. Автор указывал на радиоастрономию как на область, где применение подобного усилителя наиболее эффективно. Все сразу оценили эту рекомендацию однозначно: возникала возможность осуществить давнее намерение учёных — попытаться принять слабое радиоизлучение из космоса на волне 21 сантиметр, что подтвердило бы реальное существование свободных атомов водорода в космосе.

Блумберхен в своей статье обсуждает работу усилителя, который мог бы принять это радиоизлучение, и обращает внимание на то, что предлагаемый усилитель не только может быть применён в радиоастрономии, но способен также расширить возможности радиолокации.

Примерно через год американский учёный X. К. Д. Сковил с сотрудниками осуществил идею Блумберхена. Их квантовый парамагнитный усилитель, в котором работали кристаллы этилсульфата гадолиния, погружённые в жидкий гелий, обладал всеми свойствами, предсказанными Блумберхеном.

Публикация Сковила открыла путь потоку статей о квантовых парамагнитных усилителях. Разные авторы применяли различные парамагнитные кристаллы, их усилители отличались конструктивными особенностями и длиной усиливаемых волн. Но принцип был единым. Вскоре выяснилось, что наилучшим и наиболее эффективным кристаллом для таких усилителей является все-таки рубин.

Повезло ли Прохорову или тут сработала его прославленная интуиция, но именно на рубине, как мы уже знаем, сосредоточилось его внимание.

Прохоров с группой аспирантов и сотрудников проводил обширные и глубокие исследования парамагнитных свойств рубина, исходя именно из того, что совокупность свойств этого драгоценного кристалла как нельзя лучше удовлетворяет требованиям, возникающим при создании квантовых усилителей дециметрового и сантиметрового диапазона радиоволн.

История создания этих усилителей впервые продемонстрировала, что Прохоров является не обычным кабинетным учёным, а научным работником нового типа, способным не только выдвигать идеи и лично вести сложную исследовательскую работу, но и одновременно выполнять функции учёного-организатора, сплачивающего большие и разнородные коллективы для решения крупной комплексной задачи. Теперь поиски велись во многих научно-исследовательских институтах, причём они были не только экспериментального и теоретического плана, но и конструкторского. Идеи воплощались в приборы нового типа.

Исследования не прекращались. Прохоров вместе с Маненковым продолжал изучать различные процессы, сопровождающие явление парамагнитного резонанса. Вместе с Н. В. Карловым, впоследствии ректором Московского физико-технического института, он исследовал трудности, которые должны были возникнуть при соединении будущего усилителя с антенной, стремился оценить важнейшую характеристику усилителя — рождающиеся внутри него шумы. На крупных магнитах НИИ ядерной физики МГУ Прохоров со своими аспирантами Г. Н. Зверевым и Л. С. Корниенко проводил физические исследования парамагнитного резонанса. В ФИАНе (Физическом институте АН СССР) помимо глубоких физических исследований Прохоров уделял большое внимание поиску новых технических решений. Многие из них были затем использованы при разработках промышленных образцов квантовых парамагнитных усилителей. Работа под его общим руководством с успехом велась в нескольких отраслевых институтах.

Целая серия усилителей со стерженьками, изготовленными из рубина и помещёнными в волновод специального типа — устройство для передачи сантиметровых радиоволн, была разработана и выпущена коллективом, руководимым В. Б. Штейншлейгером, членом-корреспондентом АН СССР, который активно участвовал в применении этих усилителей для радиоастрономических исследований.

В этих усилителях через волновод проходит радиоволна. Длина волновода выбирается так, чтобы она могла отдавать свою энергию рубину, возбуждая в нём способность к усилению. Эта способность используется для усиления второй радиоволны, тоже проходящей через этот волновод и взаимодействующей в нём с возбуждённым кристаллом рубина. Физики назвали усилитель этого типа усилителем бегущей волны. Участок волновода, содержащий рубиновые стержни, расположен между полюсами магнита. Изменяя силу магнитного поля, можно изменять настройку усилителя на радиоволны различной длины.

В непосредственном контакте с Прохоровым работал коллектив Института радиотехники и электроники АН СССР (ИРЭ). Здесь М. Е. Жаботинский и А. В. Францессон создали квантовые парамагнитные усилители нового типа, специально приспособленные для работы в дециметровом диапазоне волн. На волне, излучаемой космическим водородом, и на более длинных волнах они по всем основным характеристикам превзошли усилители лучших зарубежных моделей. Неудивительно, что коллектив исследователей и создателей новых усилителей, включающий сотрудников исследовательских организаций Академии наук и промышленности, был удостоен Государственной премии СССР.

Несомненно, что высокое совершенство квантовых усилителей Института радиотехники и электроники обусловлено тем, что их создатели, начав с фундаментальных исследований, довели их до практического применения при решении сложной комплексной задачи. Эта задача — радиолокация планет Венера, Марс, Юпитер — была успешно выполнена. Так возник особый раздел современной науки и техники, интересный и важный.

Когда возникла загадка парамагнитного резонанса, казалось, что разрешение её очень далеко от запросов жизни. Но выяснилось, что эта туманная научная тема вывела учёных на передний край проблематики наших дней, на прямую и точную дорогу в космос.

Естественно, это научило организаторов науки быть осторожными и более дальновидными в оценке далёких (на первый, взгляд) и мало перспективных (тоже на первый взгляд) увлечений исследователей.

Остановимся ещё на одном явлении, тоже загадочном, тоже долго сопротивлявшемся разглашению своих тайн, но наконец сдавшемся и подарившем своим покорителям не один сюрприз.

Теория предсказывала, что резонансное поглощение радиоволн должно быть связано с магнитными свойствами не только электронов, но и многих атомных ядер.

И хотя опыты с пучками атомов, летящих в пустоте, подтверждали предсказания теории, при наблюдении твёрдых тел и жидкостей никак не удавалось эти резонансы обнаружить. Здесь оказался бессилен и новый метод Завойского. Сколь ни плавно он изменял поле своего магнита, резонансы не появлялись.

Эта страница физики — одна из наиболее драматичных и поучительных. Она рассказывает о том, как обстоятельства иногда бывают сильнее самых сильных и смелых характеров, как теория, которая обычно является путеводной звездой эксперимента, может сбить его с правильного пути и завести в тупик.

И тут физикам-экспериментаторам приходится стать на неведомый путь, восстать против теории. Им надо опереться на свои силы.

Теоретики В. Г. Гайтлер и Э. Теллер сделали расчёт. Он имел поистине зловещий характер, и никто бы не удивился, если бы он отвадил физиков от постановки опытов. Результат гласил: чтобы зафиксировать ядерный резонанс, надо ждать… миллионы лет. Это звучало безнадёжно, и все, кто занимался такими исследованиями, прекратили их. Кроме Гортера. И кроме Завойского. Они продолжали искать ядерный резонанс. Гортер прошёл совсем близко от него, случайно не заметив. А Завойскому продолжать опыты в полную силу и сделать второе, не менее замечательное, чем электронный парамагнитный резонанс, открытие помешала война. Имей Завойский ещё немного времени для продолжения экспериментов и улучшения качества применяемого магнита, он убедился бы в существовании ядерного магнитного резонанса.

Вот что говорил об этом один из сотрудников Завойского профессор Б. М. Козырев: «Огорчительно рассказывать об этом теперь, после нигде не зафиксированных, а следовательно, совершенно недоказуемых наблюдений, и, разумеется, мы не претендуем на какое-нибудь 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 менеё значительном. Почему же все-таки это открытие не состоялось? Дело в том, что Завойскому не удалось до начала войны добиться хорошей повторяемости результатов: эффект то появлялся, то исчезал. 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 два-три месяца для экспериментов, он, без сомнения, нашёл бы причину плохой воспроизводимости результатов, и таким образом мы получили бы полную уверенность в реальном существовании магнитного поглощения в кристаллах. Но трудные условия военного времени не позволяли должным образом проводить опыты. Сообщению в печати о единичных 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 Ф. Блох, Е. Н. Пэрсел и Р. В. Паунд.

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 лекции, 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 однородное магнитное поле? Ведь сама природа идёт нам навстречу: мы всю жизнь проводим в весьма однородном магнитном поле Земли. Надо лишь обеспечить условия, при которых в опыте это магнитное поле не искажалось кусками железа или магнитными полями, порождаемыми электрическими токами в окружающих проводах».

И Блох создал чрезвычайно простую установку. Ампула с небольшим количеством воды помещалась внутри проволочной катушки, соединённой с несложной радиосхемой. Через вторую катушку он пропускал постоянный 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 маленьким 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, содержащихся 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 согласованно 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 (так именуются 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 генератору, но и создал теорию, объясняющую это явление.

Уравнения Блоха позволили понять многие детали поведения намагниченных ядер и электронов, неведомые 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 интуитивной постановки опыта.

Последующий шаг в понимании явлений, связанных с магнитными свойствами электронов и ядер, сделал Б. Н. Провоторов.

По складу ума и по образованию Б. Н. Провоторов — физик широкого диапазона. Он рано понял, что теория размагничивания противоречива. И начал искать возможность связать концы с концами. Суть его теории легко продемонстрировать мысленным опытом.

Заглянем в лабораторию некоего физика в тот момент, когда он занят совсем не профессиональным делом: запалив две горелки, ставит на газовую плиту ведро и маленькую кастрюльку с водой, а затем опускает в них по сырому яйцу. Подождём, пока вода в каждом из сосудов закипит и он выключит горелки. Что произойдет 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, развивавшие вплоть до начала шестидесятых годов теорию парамагнитной релаксации, 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 «яйца» и «воды» в любой момент времени практически совпадает.

И только молодой советский физик Провоторов обратил внимание на то, что 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 выводам.

У него начала созревать теория, которая сегодня во всём мире называется провоторовской. Он же придал своей концепции безупречную математическую форму.

Однако случилось так, что его теория некоторое время напоминала чеховское ружьё, праздно висящее на сцене. Большинство физиков не придало значения работам Провоторова, не усмотрело в них возможности получения новых результатов.

Никто не ожидал, что его «ружьё» может выстрелить.

Некоторые коллеги, те, которые обычно при появлении незаурядных неапробированных работ презрительно говорят: «Это чушь», а потом, после их признания: «Это банально, это давно вытекает из моих работ», критиковали Провоторова.

Мыслящие учёные оценивали его открытие более объективно, говоря: «Да, это новая теория, и её новые усложнённые уравнения хорошо описывают известные явления, но и старая теория описывает их достаточно точно. Зачем же усложнять?».

А были и такие, кто просто не понял, что к чему. Некоторые не понимают и по сей день. Физики приводят такой курьёзный пример. В 1961 году в Москве была организована французская выставка с научной экспозицией. Она сопровождалась пояснениями и лекциями французских учёных. Одну из них читал видный специалист по ядерному магнетизму Анатоль Абрагам.

В своей области Абрагам авторитет, и послушать его пришли многие советские специалисты, работающие над теми же проблемами. Был там и Провоторов и подарил Абрагаму одну из своих статей. Он ждал, что же скажет ему старший коллега? Но коллега ничего не сказал и, как потом признался, не мог ничего сказать. Он не понял.

Даже после того как Провоторов защитил докторскую диссертацию, написал несколько статей и его теория стала популярной, многие ещё спрашивали: «А зачем это нужно?»

Неизвестно, как долго продолжалось бы такое положение, если бы провоторовские идеи не привлекли внимания молодой женщины-физика Маи Родак.

Отношение ко всем жизненным проблемам у Маи всегда было серьёзным и решительным. Так повелось ещё с военной юности.

После двух курсов одесского физфака она ушла на фронт. Сначала ушёл в ополчение отец, подала заявление в военкомат мать. Мая ждала своей очереди. Ещё до войны сдала комплекс ВС-2 — ворошиловский стрелок… Ожидая ответа военкомата, училась на курсах медсестёр. Но медицину не любила и выпросила назначение в зенитную артиллерию. Так она попала в самое пекло — под Сталинград.

После Победы — МГУ, затем — шесть лет преподавания и, наконец, научная работа в Институте радиотехники и электроники Академии наук СССР (ИРЭ). Здесь включилась в одну из самых интересных тем современной физики: создание квантовых парамагнитных усилителей — мазеров, включилась как физик-теоретик.

Продумывая детали провоторовской точки зрения на свойства веществ, называемых парамагнитными, Родак почувствовала, что в этом подходе таятся возможности, намного более серьёзные, чем обещанные общепризнанными теориями ученика Гортера — Блумберхена и лауреатов Нобелевской премии Парсела и Паунда. Теориями, прочно вошедшими во все учебники.

Исследуя парамагнитные вещества при помощи радиоволн, учёные наблюдают результат поглощения атомами или ионами сравнительно слабых радиоволн, испускаемых маломощными источниками. При этом приборы регистрируют не единичные акты, при которых отдельный ион или атом поглощают квант электромагнитной энергии — фотон радиодиапазона, а суммарный эффект, складывающийся из множества таких актов.

Если в ходе опыта изменяется не мощность, а только длина волны, воздействующей на вещество, то на экране осциллографа или на ленте самописца возникает кривая, отображающая зависимость интенсивности поглощения от длины волны. Это знакомая нам спектральная линия, расположенная в диапазоне радиоволн.

Обычно форма спектральной линии симметрична, она выглядит одинаково по обе стороны от вершины, опускаясь от неё плавными крыльями. Она похожа на равносклонную горку…

Всё это — от момента облучения вещества радиоволной до появления спектральной линии, соответствующей этому опыту, — совсем недавно считалось непротиворечивым, доказанным всеми опытами и теориями парамагнитных явлений.

Мая Родак сломала эту красивую горку и вместо неё нарисовала довольно странную асимметричную кривую.

И на протесты упрямо отвечала, что именно такая горка иллюстрирует истинное положение вещей в парамагнитных веществах.

Проследим же за ходом её рассуждений. Всё началось с того, что она решила вернуться к вопросу о том, что произойдёт, если увеличить мощность источника радиоволн. Учебники, исходя из общепризнанной теории Блумберхена, отвечали: по мере увеличения мощности ширина кривой, изображающей спектральную линию, будет увеличиваться, а её высота — уменьшаться до тех пор, пока при достаточно большой мощности кривая не исчезнет. Здесь не было ничего странного. Это явление называется насыщением поглощения. Вещество насыщается радиоволной — так предсказывала теория. Поглощение практически прекращается. Ослабление радиоволн становится малым. Оно связано с рассеянием и с процессами релаксации, сопровождающимися выделением тепла.

Теория предсказывала и ещё один эффект.

Пусть, кроме маломощного генератора радиоволн, длина волны которого изменяется для наблюдения за спектральной линией, на вещество действует второй генератор. И пусть длина его волны во время опыта остаётся постоянной, а мощность изменяется. Что станет с наблюдаемой спектральной линией по мере увеличения мощности второго генератора, если длина его волны расположена в пределах спектральной линии?

Теория отвечала: спектральная линия будет насыщаться. По мере увеличения мощности второго генератора её ширина будет расти, а высота уменьшаться, пока она не исчезнет совсем. Об этом мы уже знаем. Для учёных это явление было непреложной и доказанной истиной. Так, говорила теория, будет всегда, если длина волны второго генератора останется в пределах спектральной линии.

Всё казалось столь ясным, что никто не проделал соответствующего опыта! Такова психологическая сила общепризнанной теории.

Родак усомнилась. Она знала, что процессы передачи энергии между частицами вещества сложнее, чем предполагалось при построении общепризнанной теории. (Вспомним о нашем мысленном опыте: яйцо в маленькой кастрюльке остывает иначе, чем в ведре. Изменения температуры яйца могут отставать от изменений температуры воды!) Мощный генератор нагревает вещество. Его энергия, поглощённая парамагнитными частицами, постепенно распределяется между всеми частицами вещества. Если следовать Провоторову, надо выяснить: не возникает ли и здесь отставание температуры одних групп частиц от температуры других групп частиц?

Родак занялась расчётами. Её предположения подтвердились. Формулы показали, что результаты опыта должны напоминать поведение яйца в кастрюльке, а не в ведре. Температура различных частиц в парамагнитном веществе может различаться. Родак приняла эту революционную, расходящуюся с учебниками позицию и свежим взглядом оглядела «поле боя»: взаимодействие радиоволн с парамагнитными частицами. И ей открылось то, что для других исследователей казалось невероятным. Прежде всего форма спектральной линии в опыте, не поставленном никем, должна исказиться! Более того, при некоторых условиях ослабление в веществе слабого сигнала первого (перестраиваемого) генератора должно смениться его усилением. Это казалось крамолой, но так получалось, и из этого вытекали поразительные следствия — возможность создания нового чувствительного механизма усиления радиоволн!

Так просто и непринуждённо Родак добилась эффекта, ради которого многие учёные шли на ухищрения и сложности!

Вынужденное излучение парамагнитных кристаллов в диапазоне сантиметровых радиоволн наблюдалось до тех пор только в мазерах, в приборах, где искусственно создавались условия, вынуждающие атомы излучать радиоволны. При этом (по предложению Басова и Прохорова) использовались две спектральные линии — так называемая система «трёх уровней» энергии. Эффективная, но довольно сложная система воздействия на атомы, целью которой было одно: заставить атомы излучать или усиливать радиоволны.

Для этого атомы должны поглощать радиоволны на более высокой частоте, чем частота тех радиоволн, которые подлежат усилению или излучению атомами.

Родак фактически указала на возможность получения непрерывно действующего мазера в пределах одной спектральной линии. Всем, кто хоть как-нибудь соприкасался с мазером, такой эффект казался совершенно невозможным.

Сотрудники Родак, первыми узнавшие об этом предсказании, отнеслись к нему с должным недоверием, но, разобравшись, поняли: так должно быть. Вопрос лишь в том, можно ли создать условия, при которых неожиданное явление станет доступным наблюдению?

Экспериментальную часть работы взял на себя младший коллега Родак, сотрудник той же Лаборатории квантовой радиофизики ИРЭ, Вадим Ацаркин (эта работа стала частью его докторской диссертации, которую он блестяще защитил). Ацаркин уже имел необходимый опыт в этой сложной области физического эксперимента и понимал, что цели легче достигнуть, воздействуя на парамагнитный кристалл мощными кратковременными импульсами радиоволн. В промежутках между импульсами Ацаркин наблюдал за поведением спектральных линий на экране осциллографа при помощи маломощного генератора радиоволн. Частота его плавно изменялась от малых значений частоты колебаний к большим, а затем скачком возвращалась к начальному значению.

Конечно, не сразу осциллограф показал ему кривую, порождённую расчётами Родак. Но Ацаркин преодолел все препятствия, неизбежно возникающие перед экспериментатором. Его задача существенно облегчалась тем, что он знал, что следует искать, знал, осциллограф должен рано или поздно вычертить кривую, подобную построенной в тетради Родак. И она появилась. Её рисовал на экране осциллографа электронный луч, смещавшийся слева направо в то время, как частота маломощного сигнального генератора радиоволн изменялась от меньших значений частоты колебаний в сторону больших значений.

Спектральная линия, имевшая на экране осциллографа вид симметричной горки, искажалась, если одновременно выполнялись два условия: частота мощного вспомогательного импульсного генератора радиоволн была выбрана так, что она лежала на одном из склонов спектральной линии, и при этом его мощность была достаточно велика. При выполнении обоих условий симметрия спектральной линии нарушалась. На том её склоне, на который воздействовал сигнал вспомогательного импульсного генератора, возникал провал. Если этот генератор оказывался на том крыле спектральной линии, на которое сигнал основного генератора попадал после прохождения вершины спектральной линии, то картина становилась ещё более удивительной. Это крыло после воздействия импульса искажалось настолько, что изображающая его кривая опускалась ниже нулевой линии осциллографа. Так реализовывалось предсказание Родак: на крыле спектральной линии поглощение становилось отрицательным. А отрицательное поглощение это не что иное, как усиление. Усиление, наблюдаемое в пределах одной спектральной линии, если только она подвергается достаточно сильному воздействию мощного импульсного генератора.

Такие кривые были получены Ацаркиным и Родак не только в опытах с атомными ядрами, но и с электронами. На них они воздействовали сантиметровыми волнами, дав надежду на новые возможности использования этого метода в практике физического исследования.

Серия экспериментов Ацаркина была столь впечатляюща, что их повторили и полностью подтвердили в Лейденской лаборатории, а затем и в других научных центрах.

Блумберхен, побывав в Москве и ознакомившись с работами Родак и Ацаркина, высоко оценил их и признал эффективность провоторовского подхода к исследованию парамагнитных веществ. Поехав после этого в Грузию, он рас сказал о новых работах грузинским физикам. Так бывает в науке: личное общение даёт много больший эффект, чем чтение статей. Может быть, тбилисские теоретики и были знакомы со статьями москвичей. Но по-настоящему заинтересовались новой областью лишь после беседы с Блумберхеном. Толчок был дан, грузинские физики связались с московскими и включились в развитие провоторовских идей. Группа физиков во главе с членом-корреспондентом АН Грузинской ССР Г. Р. Хуцишвили сумела глубоко развить многие аспекты теории, подход к которым без использования идей Провоторова был невозможен. Им так же, как и московским физикам, удалось предсказать и наблюдать в этой области несколько тонких эффектов, придавших явлению более общее значение.

Особенно привлекло внимание учёных математическое изящество дополнений, сделанных тбилисскими физиками, испытывавших на себе плодотворное влияние прославленной школы грузинских математиков. Их сложные физические исследования обычно бывают оформлены с безукоризненной математической аккуратностью. Своей главной задачей в данном вопросе они сочли создание более простой математической модели явления и более простого эксперимента.

Хуцишвили вместе с Л. Л. Буишвили и другими своими учениками и сотрудниками и раньше успешно развивал направление, которое учёные называют динамикой спиновых систем. Их метод, по существу, описывает движение атомных магнитиков под влиянием различных воздействий. Им удалось многого достичь при помощи традиционных методов. Но провоторовский подход позволил продвинуться значительно дальше туда, где прежние методы оказываются неэффективными.

Затем в этом коллективе появились и экспериментаторы, сумевшие в сотрудничестве с теоретиками исследовать ряд тонких эффектов, ускользавших от других учёных.

Идеи Провоторова получили отзвук и на родине пара магнитного резонанса — среди казанских физиков, и во многих зарубежных лабораториях. В работе над физическими следствиями, вытекающими из провоторовских идей, открывалось большое поле деятельности.

На этом провоторовский подход не исчерпал скрытых в нём возможностей. Родак и Ацаркину удалось совершить ещё один прорыв в прочно устоявшейся и ставшей традиционной области физики.

Речь идёт о важной ветви экспериментальной ядерной физики, о создании так называемых поляризованных ядерных мишеней, которые физики обстреливают пучками частиц высоких энергий, получаемых при помощи ускорителей, или пучками нейтронов.

Цель обстрела: изучить процесс столкновения частиц— «снарядов» с частицами-«мишенями». Ведь между ядрами атомов, образующих мишень, и пучками частиц, падающих на неё, возникают разнообразные ядерные реакции, начиная от простых взаимодействий, при которых лишь меняется характер движения сталкивающихся частиц, до сложнейших, сопровождающихся рождением новых элементарных частиц! Тут и возникает возможность разобраться в деталях этих взаимодействий: установить характер сил, действующих между частицами, выяснить свойства этих мельчайших частиц, выявить, имеются ли среди них истинно простейшие частицы мироздания, и, если повезёт, попытаться восстановить сложную иерархию различных семейств частиц, объединяемых общими свойствами.

Но и без того сложную картину таких взаимодействий ещё более усложняет хаос, царящий в глубинах материи. Этот хаос вызван естественными причинами. Он является результатом непрерывного теплового движения частиц. Чтобы избавиться от него или хотя бы ослабить влияние теплового движения, учёные идут на всякие ухищрения. В частности, понижают температуру мишени как можно ниже, в область, близкую к абсолютному нулю. Но и этого мало. Хотя тепловые движения при этих температурах существенно ослабляются, всё равно оси частиц мишени располагаются по всем направлениям случайно, хаотично. Так выглядит множество муравьёв, зафиксированных моментальным фотоснимком муравейника. И если «нападающие» частицы что-то меняют в этом беспорядке, понять, что же именно изменилось, очень трудно.

Для того чтобы извлечь максимум информации из ядерных экспериментов, нужно, чтобы ядерные частицы на воображаемой фотографии в начале процесса напоминали не хаос муравейника, а строй солдат, выровненный по команде. Тогда изменения в расположении частиц будет легко зафиксировать.

Что же предпринять для установления порядка среди частиц мишени? Вот над чем думали экспериментаторы. И решили использовать для этой цели тот факт, что многие атомные ядра являются маленькими магнитиками. Может быть, попытаться ориентировать их при помощи сильного магнитного поля? Так возникла идея «магнитного кнута».

Но это не очень дисциплинировало частицы. Тогда, кроме «магнитного кнута», французские учёные А. Абрагам и В. Проктор применили «радиотехническую плётку». И действительно, магнитное поле плюс радиоволны определённой частоты позволили добиться большей упорядоченности в расположении ядер. Наилучший эффект при этом достигается, если радиоволны действуют не непосредственно на ядра, а на электроны парамагнитных атомов, вводимых в небольшом количестве в состав вещества мишени. Дело в том, что магнитные свойства электронов примерно в 2000 раз сильнее, чем магнитные свойства ядер. Поэтому воздействие радиоволн на них оказывается во столько же раз более эффективным. Электроны же в свою очередь очень хорошо передают полученную ими упорядоченность движения ядрам атомов мишени.

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

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

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

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

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

Оказалось, что новый метод позволяет достичь большей степени упорядоченности частиц мишени, чем это удавалось сделать раньше. Более того, можно успешно обеспечить поляризацию ядер даже в тех мишенях, в которых на основе метода Абрагама — Проктора получить это, казалось, совершенно невозможно.

Так возник новый мост между «чистой» теорией и потребностями техники. Рассказанное можно считать применением нового круга идей в ядерной физике.

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

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

И снова перенесёмся в Казань, не только родину парамагнитного резонанса, но и его столицу, ибо здесь и после отъезда Завойского в Москву растёт, развивается мощная школа учёных, всесторонне исследующих физику парамагнитных явлений. Здесь продолжали работать члены-корреспонденты АН СССР Козырев и Альтшуллер, известные физики-теоретики, глубоко изучившие разнообразные проявления парамагнетизма и создавшие свои научные школы.

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

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

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

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

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

Одной из актуальных задач современности является передача электроэнергии от крупных электростанций к потребителям. При этом необходимо до минимума снизить потери энергии в линиях передач. Один из путей — использование сверхпроводящих кабелей. Но учёные, как мы знаем, в то время ещё не могли создать материалы, обладающие сверхпроводимостью при температурах, превышающих –250 °C. Они лишь мечтали о сверхпроводимости при комнатной температуре Первая задача — создать сверхпроводник хотя бы при температуре жидкого азота (примерно –180 °C) — уже решена во многих лабораториях. Для применения этих результатов и в промышленности нужно глубоко изучить законы сверхпроводимости, в том числе свойства вещества при самых низких температурах. Температуры, предельно близкие к абсолютному нулю, необходимы для решения других важных задач, а получить их можно, используя парамагнитные свойства электронов и ядер. Эта область современных исследований сейчас чревата бурными событиями, о них мы уже рассказывали.

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

Новейшим достижением медицины в области диагностики стала ядерная компьютерная томография — синтез ядерного магнитного резонанса с ЭВМ. Первый шаг в этом направлении был сделан рентгенологами. В течение десятилетий они совершенствовали методы диагностического применения рентгеновских лучей, стремясь уменьшить их вредное воздействие на организм больного. Для этой цели были изобретены специальные фотографические эмульсии, особо чувствительные к рентгеновским лучам, были разработаны люминесцентные экраны, дающие яркое изображение при чрезвычайно малой интенсивности рентгеновского излучения. Наконец, рентгеновские аппараты были оснащены телевизионной аппаратурой, позволяющей врачу обследовать пациента при меньших дозах рентгеновского облучения и большей защищённости от рентгеновских лучей. Эта аппаратура позволила наблюдать изображение на телевизионном экране в отдельном помещении и делать снимки в те моменты, когда они наилучшим образом фиксируют состояние больного органа.

Но все эти методики обладают общим недостатком, обусловленным тем, что на рентгеновском снимке налагаются друг на друга различные органы и ткани, находящиеся на пути рентгеновских лучей. Выделить из них нужную информацию также трудно, как прочитать текст, напечатанный на листе папиросной бумаги, когда над ним и под ним находятся такие же листы, заполненные другим текстом. Подобная задача возникла бы при попытке рассмотреть изображение на диапозитиве или слайде, просвечиваемом одновременно с другими наложенными на него диапозитивами или слайдами. В случае рентгеновской диагностики дело осложняется тем, что кости поглощают рентгеновские лучи гораздо сильнеё, чем мягкие ткани. Это делает крайне трудным рентгеновское исследование головного мозга и осложняет исследование патологии мягких тканей, если они находятся в области таза или примыкают к крупным костям.

Важное значение рентгеновской диагностики привело к разработке нового метода, получившего название рентгеновской компьютерной томографии. Его суть состоит в совершенствовании приёма, которым пользуются все рентгенологи, заставляющие пациента поворачиваться во время просвечивания и делающие снимки, когда рентгеновские лучи проходят через тело больного под разными углами. При этом рентгенолог может видеть на одном снимке те участки мягких тканей, которые на другом снимке скрыты костями. Однако извлечение информации путём сравнения таких снимков требует огромного опыта и граничит с искусством. Оно доступно немногим.

Французский врач Е. М. Бокаж запатентовал в 1921 году метод, позволяющий получать достаточно чёткие рентгеновские снимки и в тех случаях, когда обычные методы не давали никакой информации. Идея метода чрезвычайно проста. Для получения рентгеновского снимка определённого небольшого участка тела нужно поместить пациента между рентгеновской трубкой и фотоплёнкой, а затем, оставляя пациента неподвижным, перемещать трубку и плёнку в противоположных направлениях вдоль параллельных прямых линий. При этом скорость перемещения выбирается так, чтобы соединяющая их прямая вращалась вокруг центра области, подлежащей исследованию. Ясно, что при этом все области, находящиеся по обе стороны той, что подлежит исследованию, не дадут чёткого изображения, а будут смазаны. Так смазывается движущийся объект на обычной фотографии, сделанной с длительной экспозицией. Напротив, области, примыкающие к воображаемой оси, через которую постоянно проходит прямая, соединяющая рентгеновскую трубку с серединой фотоплёнки, образуют на фотоплёнке наиболее чёткое изображение, даже если они со всех сторон окружены другими тканями организма.

Итальянский инженер Валлебона, впервые реализовавший эту идею на практике, назвал созданный им аппарат томографом, имея в виду, что он позволяет получить рентгеновское изображение «плоского среза» внутри человеческого тела.

Новый метод существенно расширил возможности рентгенологов, которые смогли обнаруживать глубоко лежащие туберкулёзные очаги и инфильтраты, туберкулёзные каверны и злокачественные опухоли лёгких. Ларингологи получили возможность выявлять заболевания гортани, которая на обычных снимках полностью затемняется позвонками.

Метод Бокажа обладает двумя крупными недостатками. Во-первых, хотя смазанные изображения слоёв, лежащих выше и ниже исследуемого слоя, не образуют чёткого изображения, они приводят к ухудшению контрастности деталей изображения, подлежащего исследованию. Это проявляется в форме однородного потемнения — вуали, подобной той, что огорчает фотографов, засветивших плёнку. Во-вторых, при необходимости подробного обследования, когда требуется получение нескольких рентгеновских «срезов», больной должен быть подвергнут большим дозам облучения.

Разработка и совершенствование ЭВМ, приведшее к огромному увеличению быстроты их действия и объёма памяти позволили А. Кормаку в начале шестидесятых годов предложить новый метод получения и обработки рентгеновских изображений, специально ориентированный на применение в медицинской диагностике.

Примерно через десять лет, в начале семидесятых годов, Г. Хаунсфилд реализовал идею Кормака, создав прибор, способный получать контрастные изображения отдельных сечений головного мозга человека. Уже через семь лет ряд фирм начал серийно выпускать томографические установки, в том числе очень крупные, позволяющие исследовать любое сечение человеческого тела. Это внесло радикальное изменение в диагностику различных заболеваний внутренних органов, в том числе злокачественных опухолей, желчных и почечных камней, болезней кровеносных сосудов и лёгких и т. п. Несмотря на то что крупные установки для рентгеновской томографии стоят свыше миллиона рублей, рентгеновские томографические установки различных типов работают более чем в 2000 клиниках.

За выдающийся вклад в развитие рентгеновской вычислительной томографии математику А. Кормаку и инженеру Г. Хаунсфилду в 1979 году была присуждена Нобелевская премия по медицине.

Является ли случайным то, что начало рентгеновской вычислительной томографии заложил математик, а не врач рентгенолог, специалист в области физики рентгеновских лучей? Нет, это не случайно, ибо в этой пограничной области возникают весьма сложные математические задачи. Математики различают два типа задач — прямые и обратные. Простой пример прямой задачи: дана скорость поезда и время, в течение которого он находился в пути; требуется найти пройденное им расстояние. Соответствующая ей обратная задача: дано время движения поезда и расстояние между станциями; требуется найти скорость поезда. Первая задача решается умножением скорости на время, вторая задача решается делением расстояния на время. Каждый знает, что деление требует более сложных вычислений, чем умножение. Этот пример иллюстрирует общее правило: решение обратных задач сложнее, чем решение прямых.

Решение более сложных обратных задач обычно встречается с существенной дополнительной трудностью. Обратные задачи могут иметь более чем одно решение. Математики говорят: решение таких задач не однозначно. Для того чтобы в этих случаях выделить искомое решение среди остальных, требуется привлечение дополнительных сведений.

Небольшое усложнение задач, рассмотренных выше, показывает, что имеется в виду. Например, путь между двумя станциями, наряду с ровными участками, имеет спуски и подъёмы, крутизна которых известна. Известна также зависимость скорости поезда от крутизны спуска и подъёма. Если пассажир измеряет интервалы времени, затрачиваемые на преодоление отдельных отрезков пути, то при помощи умножения и сложения он без труда определит полное расстояние, пройденное поездом.

Но если известно общее расстояние и время, затраченное поездом на преодоление отдельных участков пути, то без дополнительных сведений невозможно узнать, в какой последовательности расположены подъёмы, спуски и ровные участки.

Возвратимся теперь к рентгеновской диагностике. Светлые и тёмные места на рентгеновском снимке обусловлены различным поглощением рентгеновских лучей на их пути внутри исследуемого объекта. Кости, сильно поглощающие рентгеновские лучи, отображаются на снимке прозрачными участками. Мягкие ткани, поглощающие слабее, выглядят тёмными. Отличить металлический осколок, застрявший в мягких тканях, от толстого осколка кости может только опытный врач-рентгенолог. Ему при этом приходится без помощи математики, лишь на основании собственного опыта и знания анатомии, решать обратную задачу — определять плотность материала, из которого состоит объект, поглощающий рентгеновские лучи.

Вычислительная рентгеновская томография легко справляется с этой задачей, применяя при этом разнообразные варианты метода Бокажа. Исследуемый объект просвечивают рентгеновскими лучами в различных направлениях, фиксируя интенсивность рентгеновских лучей, прошедших сквозь объект, при помощи электронного приёмника. Сигналы этого приёмника преобразуют в цифровую форму и записывают в память ЭВМ.

После окончания сеанса просвечивания ЭВМ обрабатывает весь массив записанной информации и послойно решает обратные задачи определения плотности вещества в различных областях объекта. Присущая решению обратной задачи неоднозначность ликвидируется благодаря дополнительному требованию плавного перехода решения, полученного для каждого слоя, в решение, полученное для соседних слоёв.

Блестящие результаты вычислительной рентгеновской томографии не исключили основного недостатка, присуще го применению рентгеновских лучей для просвечивания человеческого организма. Принося огромную пользу, они одновременно вносят риск последующего образования злокачественных опухолей, которые, как показал опыт, могут быть следствием поражения рентгеновскими лучами генетического аппарата отдельных клеток организма. Поэтому в ряде стран рентгеновское исследование младенцев полностью запрещено, а исследование детей сильно ограничено. В случае рентгеновской вычислительной томографии опасность усугубляется необходимостью применения больших суммарных доз облучения.

Вскоре после разработки рентгеновской вычислительной томографии учёным стало ясно, что эти методы могут быть созданы на основе физических процессов, не связанных с рентгеновскими лучами.

Один из новых методов вычислительной томографии, весьма важный для медицины и биологии, основан на применении ядерного магнитного резонанса. Его называют методом ЯМР-томографии. Он основан на наблюдении ядерного магнитного резонанса и ядерной релаксации в различных тканях человеческого организма. Наибольшее распространение получили установки, основанные на наблюдении ядерного магнитного резонанса протонов, составляющих большую часть тканей живых организмов.

Благодаря тому что точное значение частоты ядерного магнитного резонанса и скорости релаксации протонов зависят от их ближайшего окружения, ЯМР-томография легко различает мышечную ткань от жировой, злокачественные опухоли от здоровой ткани и даже позволяет определить скорость кровотока в сосудах, что даёт возможность судить о состоянии кровоснабжения отдельных органов, в том числе мозга.

ЯМР-томографы несколько сложнее рентгеновских потому, что в их состав должны входить большие магниты, создающие весьма однородное магнитное поле, сложные приборы, управляющие значением дополнительного переменного магнитного поля в различных областях пространства, приборы для измерения частоты ядерного магнитного резонанса и величины ядерной релаксации.

ЭВМ, входящая в состав ЯМР-томографа, не только обрабатывает результаты измерений, но управляет согласованной работой всего прибора. Она перемещает малую зону, в которой выполнены условия, необходимые для наблюдения ядерного магнитного резонанса, так, чтобы точку за точкой, слой за слоем обследовать организм пациента.

Результаты, получаемые ЭВМ при обработке данных, записываемых в её память, выводятся на экран дисплея, аналогичный экрану телевизора, и врач может в соответствии с целями обследования выносить на экран ту или иную информацию. Получающиеся при этом изображения различных сечений тела пациента с поразительной точностью повторяют изображения, которые ранее могли быть получены только в анатомических лабораториях. Во многих ЯМР-томографах полученные изображения окрашивают в условные тона, помогающие врачу отличать одни ткани от других. Например, жировая ткань может изображаться белым цветом, мышечная — розовым, а ткань злокачественных опухолей — чёрным. По команде врача изображения, нужные для проведения операции, автоматически воспроизводятся на бумаге.

Возможности ЯМР-томографии расширяются тем, что ядерный магнитный резонанс может быть получен не только от протонов, но и от ядер фосфора, в большом количестве содержащихся в важных компонентах живых организмов, и от ядер фтора.

ЯМР-томография может найти важное применение в промышленности и торговле, например для полного бесконтактного контроля упакованных пищевых продуктов, таких, как масло, сыр, маргарин и других, в состав которых входят соединения, содержащие водород. Ранее здесь мог быть применён только выборочный контроль.

Связи различных разделов науки между собой и связи науки с жизнью так же глубоки и беспредельны, как сама жизнь.