О том, как занятие радарами и противорадарами приводит к Нобелевской премии, о том, как порой важно идти против воли отца, и о том, чем американская наука обязана Гитлеру, рассказывает наш очередной выпуск рубрики «Как получить Нобелевку».

Феликс Блох

Родился 23 октября 1905 года, Цюрих, Швейцария.

Умер 10 сентября 1983 года, Цюрих, Швейцария.

Нобелевская премия по физике 1952 года (совместно с Эдвардом Парселлом). Формулировка Нобелевского комитета: «За развитие новых методов для точных ядерных магнитных измерений и связанные с этим открытия».

Наш герой родился в вечно нейтральной Швейцарии в семье достаточно богатого торговца зерном Густава Блоха и его супруги Агнес. Как это часто бывает с будущими Нобелевскими лауреатами, мальчик был талантливым и интересовался науками (в данном случае - астрономией и математикой). Как еще часто бывает с будущими Нобелевскими лауреатами, папа хотел дать сыну практическую специальность и записал его в знаменитый ETH Zurich на инженерное отделение. И если бы сын был покорным отцовской воле, он бы всю жизнь провел в Цюрихе, не факт, что стал бы известным инженером – и умер бы там же (впрочем, последнее сбылось). Однако, на свое счастье, прослушав первый же курс физики, Феликс «заболел» ею – и понял, что его призвание – это теоретическая физика. Посему учителями у Блоха были ни много, ни мало, сами Петер Дебай и Эрвин Шредингер.

На этом великие учителя у нашего героя не закончились, после переезда в Лейпцигский университет, Блох обзавелся еще и Вернером Гейзенбергом в наставниках.

Впрочем, и сам Блох не отставал от своих наставников. Уже своей докторской диссертацией, посвященной электронной проводимости в металлах, он всего-навсего заложил основы физики твердого тела. В этой диссертации Блох сформулировал теорему, определявшую вид волновых функций электрона в металлах. Теперь этот результат носит название функций Блоха.

Естественно, такой результат не остался незамеченным – и на Блоха посыпались стипендии, которые позволили ему перебраться в Германию и поработать с лучшими теоретиками: Нильсом Бором, Хансом Бете, Вольфгангом Паули и Энрико Ферми. За пять лет после докторской диссертации, в которые Блох работал в Европе, физик сумел сделать несколько без преувеличения прорывных работ. Давайте просто перечислим некоторые:

привел теоретическое обоснование эмпирического закона зависимости проводимости металлов от температуры (соотношение Блоха-Грюнейзена),

открыл так называемые стенки Блоха: зоны перехода между областями ферромагнитного материала с различными магнитными ориентирами,

сформулировал закон Блоха, касающийся зависимости намагниченности ферромагнитных материалов от температуры – и многое другое.

В 1933 году Гитлер пришел к власти в Германии – и для всех ученых еврейского происхождения настали трудные времена – сколько раз мы писали об этом в нашем цикле «Как получить Нобелевку» (и сколько раз об этом еще напишем). Дабы избежать судьбы многих соотечественником, которых потом убьют в концлагерях творением нобелевского лауреата Фрица Габера, газом «Циклон Б», Блох уехал в США. Там его приютил Стэнфордский университет (если честно, то американская наука должна поставить Гитлеру свечку, как бы это кощунственно не звучало – ибо заметная часть сильнейшей в мире физической школы и химической школы перебрались в США). В 1936 году Блох – уже полный профессор Стэнфорда.

И снова посыпались результаты: например, изучая свежеоткрытый Джеймсом Чедвиком нейтрон, Блох дал предсказание того, что магнитный момент нейтрона можно будет определить по рассеянию медленных нейтронов на железе и что пучок нейтронов окажется поляризованным после рассеяния на железной мишени. Затем вывел, в развитие работы Бора и Бете, формулу торможения заряженных частиц в веществе (формула Бете-Блоха) и так далее…

В 1940 году в жизни 35-летнего Блоха произошло важное событие: конференция Американского физического общества. Нет, конференция как конференция, но там он встретил 29-летнюю Лору Миш, специалиста по рентгеновской кристаллографии – и такой же беженкой из Европы. Она стала спутницей его жизни на долгие 43 года.

Впрочем, это будет потом. А тогда началась Вторая мировая война, и Блоха сначала привлекли к созданию ядерного оружия, а затем (что очень важно для нас) – противорадарным работам. К слову сказать, огромное количество американских и британских физиков во Вторую мировую работали либо с радарами, либо с противорадарами. Как ни парадоксально, это привело к созданию впоследствии многих устройств, которые приносят прямую пользу человеку – от микроволновки до МРТ.

Именно работы с радиоизлучением привели Блоха к Нобелевской премии (хотя, как отмечают все его коллеги и современники – он мог бы получить премию за что угодно, слишком велико наследие Блоха).

Вернувшисть в Стэнфорд, Блох обратился к работам американского физика Исидора Раби, который в 1944 году получил Нобелевскую премию по физике за ядерный магнитный резонанс. Что это такое? Давайте обратимся к словам профессора Эрика Хултена, который представлял Исидора Раби на церемонии вручения Нобелевской премии:

«В магнитное поле помещался проволочный виток, присоединенный к колебательному контуру, частота колебаний в котором могла меняться таким способом, каким мы настраиваем радиоприемник на данную длину волны. Теперь, когда пучок атомов проходит сквозь магнитное поле, оно влияет на них только при условии, что их прецессия соответствует частоте колебаний электрического тока в контуре.

Это влияние можно представить графически: ядра совершают скачок («сальто», техническим термином для которого является «квантовый переход»), посредством которого они занимают другое положение с иным направлением по отношению к полю. Это означает, что атом теряет все шансы достичь детектора и быть зарегистрированным. Эффект таких квантовых переходов проявляется в том, что детектор регистрирует отчетливый резонансный минимум при частоте, которая определяется с необыкновенной точностью с помощью радиотехнической аппаратуры. Посредством этого метода Раби буквально устанавливает радиосвязь с мельчайшими частицами материи, с миром электронов и атомных ядер».

Так Раби открыл ядерный магнитный резонанс в газах. Что же сделал сам Блох?

Для того чтобы определить частоту прецессии, атомов помещал образец исследуемого материала в магнитное поле мощного электромагнита, вынуждая ядра образца прецессировать с постоянной скоростью. Затем он возбуждал образец с помощью гораздо более слабого магнитного поля, управляемого радиосигналами; это второе поле меняло направление с частотой, соответствующей частоте управляющих радиоволн. Когда частота возбуждающего поля становилась равной прецессионной частоте ядер, происходил ядерный магнитный резонанс. Известная частота радиосигналов, соответствующая этому резонансу, равна частоте прецессии ядра. Таким образом оказалось возможным вычислять магнитный момент ядра с огромной точностью. Физики-ядерщики были в восторге, а магнитный резонанс начал первые шаги в определении структуры вещества (сейчас мы знаем, что резонансная частота атома зависит от его окружения, и ЯМР-спектроскопия стала одним из главных инструмента химика-органика) – и первые же шаги к появлению МРТ.

Любопытно, что примерно в то же время тем же занимался Эдуард Перселл, тоже занимавшийся радарами, тоже придумавший, как измерять магнитные моменты – и открывший радиоизлучение водорода в космосе – сделав возможным наступление эры радиоастрономии.

На Нобелевской церемонии Блоха представлял тот же Эрик Хултен, который представлял Раби. Он сказал: «Методы Перселла и Блоха дают огромное упрощение и обобщение метода молекулярных пучков Исидора Раби, что позволяет применять их к твердым, жидким и газообразным веществам. Поскольку каждый вид атома и его изотопы обладают строго определенной и характерной ядерной частотой, мы можем в любом объекте, помещенном между полюсами электромагнита, искать и исследовать с помощью радиоволн всевозможные виды атомов и изотопов, присутствующих в исследуемом объекте... не оказывая заметного воздействия на образец».

…Феликс Блох вышел в отставку в Стэнфорде в 1971 году и вернулся в родной Цюрих, где и скончался 10 сентября 1983 года в возрасте 77 лет. «Скоропостижно и неожиданно» - для всех коллег и друзей. Он умер, оставив после себя жену, пережившую его на 13 лет, четверых детей, девятерых внуков и огромное количество физических терминов, названных в его честь.