Текст книги "100 великих нобелевских лауреатов"

Автор книги: Сергей Мусский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 28 (всего у книги 46 страниц)

АЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ ПРОХОРОВ
(1916—2002)
НИКОЛАЙ ГЕННАДИЕВИЧ БАСОВ
(1922—2001)

Александр Михайлович Прохоров родился 11 июля 1916 года в Атертоне (Австралия) в семье беглых ссыльных Михаила и Марии. В 1911 году они бежали из Сибири в Австралию. После революции и гражданской войны семья Прохорова возвратилась на родину в 1923 году, где через некоторое время поселилась в Ленинграде.

В 1934 году в северной столице Александр окончил с золотой медалью среднюю школу. После чего он поступил на физический факультет Ленинградского государственного университета (ЛГУ). И университет Александр также оканчивает в 1939 году с отличием. Диплом с отличием давал право немедленного поступления в аспирантуру, и Прохоров сразу же этим воспользовался, став аспирантом Физического института АН СССР им. П.Н. Лебедева в Москве. Здесь молодой ученый занялся исследованием процессов распространения радиоволн вдоль земной поверхности. Им был предложен оригинальный способ изучения ионосферы с помощью радиоинтерференционного метода.

В 1941 году Прохоров женился на Галине Алексеевне Шелепиной, географе по специальности, и у них родился сын.

С самого начала Отечественной войны Прохоров в рядах действующей армии. Воевал в пехоте, в разведке, отмечен боевыми наградами, был дважды ранен. Демобилизовавшись в 1944 году, после второго тяжелого ранения, он возвратился к прерванной войной научной работе в ФИАНе. Прохоров занялся актуальными в то время исследованиями по теории нелинейных колебаний. Эти работы и легли в основу его кандидатской диссертации. За создание теории стабилизации частоты лампового генератора в 1948 году ему была присуждена премия имени академика Л.И. Мандельштама.

В 1947 году в ФИАНе был пущен синхротрон – устройство, в котором заряженные частицы двигаются по расширяющимся циклическим орбитам. С помощью синхротрона в 1948 году Александр Михайлович начинает исследование природы и характера электромагнитного излучения, испускаемого в циклических ускорителях заряженных частиц. В очень короткий срок ему удается провести большую серию успешных экспериментов по изучению когерентных свойств магнито-тормозного излучения релятивистских электронов, движущихся в однородном магнитном поле в синхротроне – синхротронного излучения.

В результате проведенных исследований Прохоров доказал, что синхротронное излучение может быть использовано в качестве источника когерентного излучения в сантиметровом диапазоне длин волн, определил основные характеристики и уровень мощности источника, предложил метод определения размеров электронных сгустков.

Эта классическая работа открыла целое направление исследований. Ее результаты были оформлены в виде докторской диссертации, успешно защищенной Александром Михайловичем в 1951 году. В 1950 году Прохоров начал работы в совершенно новом направлении физики – радиоспектроскопии.

В спектроскопии тогда осваивался новый диапазон длин волн – сантиметровых и миллиметровых. В этот диапазон попадали вращательные и некоторые колебательные спектры молекул. Это открывало совершенно новые возможности в исследовании фундаментальных вопросов строения молекул. Богатый экспериментальный и теоретический опыт Прохорова в области теорий колебаний, радиотехники и радиофизики как нельзя лучше подходил для освоения этой новой области.

При поддержке академика Д.В. Скобельцына в минимально возможные сроки вместе с группой молодых сотрудников лаборатории колебаний Прохоров создал отечественную школу радиоспектроскопии, быстро завоевавшую передовые позиции в мировой науке. Одним из этих молодых сотрудников был выпускник Московского инженерно-физического института Николай Геннадьевич Басов.

Басов родился 14 декабря 1922 года в городе Усмань Воронежской губернии, в семье Геннадия Федоровича Басова, впоследствии профессора Воронежского университета.

Окончание школы Басовым совпало с началом Великой Отечественной войны. В 1941 году Николая призвали в армию. Он был направлен в Куйбышевскую военно-медицинскую академию. Через год его перевели в Киевское военно-медицинское училище.

Начиная с 1943 года Николай в действующей армии. Впоследствии он вспоминал: «Случай у меня такой был. Значит, копают землянки солдаты. Работа тяжелая, и у одного солдатика случился аппендицит. Его надо резать, я всего один раз видел, как профессор удалял аппендикс, я ему чуть-чуть ассистировал, подавал разные инструменты. Я поставил четырех солдат, которые держали простыню сверху – с наката землянки сыпались грязь и песок. Дал полстакана спирта вместо наркоза и сделал операцию!.. Кстати, этот паренек жив до сих пор».

В 1946 году Николай поступил в Московский инженерно-физический институт, известный своей великолепной школой теоретической физики. По окончании института в 1950 году он поступил в его аспирантуру на кафедру теоретической физики. В том же году Басов женился на Ксении Тихоновне Назаровой, физике из МИФИ. У них родились два сына.

С 1949 года Николай Геннадиевич работает в Физическом институте АН СССР. Его первая должность – инженер лаборатории колебаний, возглавляемой академиком М.А. Леонтовичем. Затем он стал младшим научным сотрудником той же лаборатории. В те годы группа молодых физиков под руководством Прохорова начала исследования на новом научном направлении – молекулярной спектроскопии. Тогда же началось плодотворное содружество Басова и Прохорова, приведшее к основополагающим работам в области квантовой электроники.

Прохоров вспоминал: «Для нас все начиналось с радиоспектроскопии молекул, которой я сам активно занимался в ФИАНе с 1951 года. Николай Басов стал в то время одним из первых и ближайших моих сотрудников. С ним меня связывают около десяти лет напряженной и плодотворной совместной работы, закончившейся созданием в Лаборатории колебаний ФИАНа молекулярного генератора на пучке молекул аммиака».

В 1952 году Прохоров и Басов выступили с первыми результатами теоретического анализа эффектов усиления и генерации электромагнитного излучения квантовыми системами, в дальнейшем ими была исследована физика этих процессов.

Разработав целый ряд радиоспектроскопов нового типа, лаборатория Прохорова начала получать очень богатую спектроскопическую информацию по разделению структур, дипольных моментов и силовых постоянных молекул, моментов ядер и т д.

Анализируя предельную точность микроволновых молекулярных стандартов частоты, которая определяется в первую очередь шириной молекулярной линии поглощения, Прохоров и Басов предложили использовать эффект резкого сужения линии в молекулярных пучках.

«Однако переход к молекулярным пучкам, – пишут И.Г. Бебих и В.С. Семенова, – решая проблему ширины линии, создавал новую трудность – резко снижалась интенсивность линии поглощения из-за низкой общей плотности молекул в пучке. Сигнал поглощения есть результат индуцированных переходов между двумя энергетическими состояниями молекул с поглощением кванта при переходе с нижнего уровня на верхний (индуцированное, вынужденное поглощение) и с испусканием кванта при переходе с верхнего уровня вниз (индуцированное, вынужденное излучение). Следовательно, он пропорционален разности заселенностей нижнего и верхнего энергетических уровней изучаемого квантового перехода молекул. Для двух уровней, отстоящих на энергетическом расстоянии, равном кванту СВЧ-излучения, эта разность населенностей составляет лишь малую часть от общей плотности частиц в силу термического заселения уровней в равновесном состоянии при обычных температурах согласно распределению Больцмана. Тогда-то и была предложена идея о том, что, изменяя искусственно населенности уровней в молекулярном пучке, т е. создавая неравновесные условия (или как бы свою «температуру», определяющую населенность этих уровней), можно существенно изменить интенсивность линии поглощения. Если резко снизить число молекул на верхнем рабочем уровне, отсортировывая из пучка такие частицы, например, с помощью неоднородного электрического поля, то интенсивность линии поглощения возрастает. В пучке как бы создана сверхнизкая температура. Если же таким способом убрать молекулы с нижнего рабочего уровня, то в системе будет наблюдаться усиление за счет индуцированного излучения. Если усиление превышает потери, то система самовозбуждается на частоте, которая определяется по-прежнему частотой данного квантового перехода молекулы. В молекулярном же пучке будет осуществлена инверсия населенностей, т е. создана как бы отрицательная температура. Так возникла идея молекулярного генератора, изложенная в хорошо известном цикле классических совместных работ А.М. Прохорова и Н.Г. Басова 1952—1955 годов.

Отсюда начала свое развитие квантовая электроника – одна из самых плодотворных и наиболее быстро развившихся областей современной науки и техники.

По существу, главный, принципиальный шаг в создании квантовых генераторов состоял в том, чтобы приготовить неравновесную излучающую квантовую систему с инверсией населенностей (с отрицательной температурой) и поместить ее в колебательную систему с положительной обратной связью – объемный резонатор. Его могли и должны были сделать ученые, объединившие в себе опыт изучения квантовомеханических систем и радиофизическую культуру. Дальнейшее распространение этих принципов на оптический и другие диапазоны было неизбежно».

Принципиальным было предложение Прохорова и Басова о новом методе получения инверсии населенностей в трехуровневых (и более сложных) системах с помощью насыщения одного из переходов под действием мощного вспомогательного излучения. Это так называемый метод трех уровней, получивший позднее также название метода оптической накачки.

Именно он позволил в 1958 году Фабри-Перо сформировать реальную научную основу для освоения других диапазонов. Этим успешно воспользовался в 1960 году Т. Мэйман при создании первого лазера на рубине.

Еще в период работы над молекулярными генераторами Басов пришел к идее о возможности распространения принципов и методов квантовой радиофизики на оптический диапазон частот. Начиная с 1957 года он занимался поиском путей создания оптических квантовых генераторов – лазеров.

В 1959 году Басовым совместно с Б.М. Вулом и Ю.М. Поповым была подготовлена работа «Квантово-механические полупроводниковые генераторы и усилители электромагнитных колебаний». В ней предлагалось использовать для создания лазера инверсную заселенность в полупроводниках, получаемую в импульсном электрическом поле.

Независимо от Басова и по той же тематике работал и американский физик Чарлз Хард Таунс в Колумбийском университете. Он назвал свое творение мазером. Таунс предложил заполнить резонансную полость возбужденными молекулами аммиака. Это дало невероятное усиление микроволн с частотой в 24000 мегагерц.

В 1964 году Басов, Прохоров и Таунс стали лауреатами Нобелевской премии, которой они были удостоены за фундаментальные исследования в области квантовой электроники, приведшие к созданию мазеров и лазеров.

Таунс писал в своей статье «Космические мазеры и лазеры»: «Н.Г. Басов и А.М. Прохоров в СССР и автор этих строк в США были первыми, кто предпринял серьезные попытки разработать устройство для получения усиления при вынужденном излучении, т е. создать приборы, в наше время получившие наименование мазеров и лазеров. Их идеи и разработки в области квантовой электроники сыграли решающую роль в развитии этой области как в науке, так и в технике. Однако как выяснилось в дальнейшем, обнаружить эти явления можно было и вне Земли, поскольку они имели место на космических объектах в течение миллионов и миллионов лет».

На этом плодотворная совместная работа Басова и Прохорова не закончилась. Они разработали лазеры различных типов, включая мощные короткоимпульсные и многоканальные. Басов не только занимался фундаментальными исследованиями в области генераторов и усилителей, но и теоретически обосновывал использование лазерной техники в термоядерном синтезе.

Среди научных трудов Басова есть посвященные оптическим свойствам полупроводников и сверхпроводимости, молекулярной плазме и синхротронному излучению, космическим лучам, пульсирующим нейтронам и даже проблемам общей теории относительности.

С 1978 по 1990 год Басов был председателем правления Всесоюзного общества «Знание». В 1977 году он был удостоен Золотой медали им. А. Вольта. В 1989 году Басов получил Государственную премию СССР, а еще через год – Золотую медаль им. М.В. Ломоносова.

Прохоров в 1957 году стал профессором МГУ.

Александр Михайлович – один из основоположников целого ряда направлений современной науки и техники, таких как лазерная физика, радиоспектроскопия, квантовая электроника, волоконная оптика, лазерная техника и технология, прикладное использование лазеров в медицине, биологии, промышленности, связи.

С момента образования Института общей физики РАН он был бессменным директором и родоначальником одной из крупнейших в России научных школ. Прохорова избрали президентом Академии естественных наук.

В 1982 году Александр Михайлович создал и возглавил Международный журнал «Лазерная физика». В течение более чем тридцати лет он был главным редактором Большой Советской (ныне Российской) энциклопедии. С 1997 года Александр Михайлович руководил многонациональным проектом «Балтийская Кремниевая Долина».

Н.Г. Басов умер 1 июля 2001 года, А.М. Прохоров – 8 января 2002 года. Всю жизнь они были рядом, и их могилы тоже рядом – в Москве на Новодевичьем кладбище.

МАРРИ ГЕЛЛ-МАНН
(1929)

Марри Гелл-Манн родился 15 сентября 1929 года в Нью-Йорке и был младшим сыном эмигрантов из Австрии Артура и Полин (Райхштайн) Гелл-Манн. В возрасте пятнадцати лет Марри поступил в Йельский университет и окончил его в 1948 году с дипломом бакалавра наук. Последующие годы он провел в аспирантуре Массачусетсского технологического института. Здесь в 1951 году Гелл-Манн получил докторскую степень по физике. После годичного пребывания в Принстонском институте фундаментальных исследований (штат Нью-Джерси) Гелл-Манн начал работать в Чикагском университете с Энрико Ферми, сначала преподавателем (1952—1953), затем ассистент-профессором (1953—1954) и адъюнкт-профессором (1954—1955).

Основная область научных интересов молодого ученого – физика элементарных частиц – в пятидесятые годы находилась в стадии формирования. Основными средствами экспериментальных исследований в этом отделе физики были ускорители, «выстреливавшие» пучок частиц в неподвижную мишень: при столкновении налетающих частиц с мишенью рождались новые частицы. С помощью ускорителей экспериментаторам удалось получить несколько новых типов элементарных частиц, помимо уже известных протонов, нейтронов и электронов. Физики-теоретики пытались найти некоторую схему, которая позволила бы классифицировать все новые частицы.

Учеными были обнаружены частицы с необычным (странным) поведением. Скорость рождения таких частиц в результате некоторых столкновений свидетельствовала о том, что их поведение определяется сильным взаимодействием, для которого характерно быстродействие. Сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное взаимодействия образуют четыре вида взаимодействия, лежащих в основе всех явлений. Вместе с тем странные частицы распадались необычно долго, что было бы невозможно, если бы их поведение определялось сильным взаимодействием. Скорость распада «странных» частиц, по-видимому, указывала на то, что этот процесс определяется гораздо более слабым взаимодействием. На решении этой труднейшей задачи и сосредоточил свое внимание Гелл-Манн. Исходным пунктом своих построений он избрал понятие, известное под названием зарядовой независимости. Суть его состоит в определенной группировке частиц, подчеркивающей их сходство. Например, несмотря на то что протон и нейтрон отличаются электрическим зарядом (протон имеет заряд +1, нейтрон – 0), во всех остальных отношениях они тождественны. Следовательно, их можно считать двумя разновидностями одного и того же типа частиц, называемых нуклонами, имеющих средний заряд, или центр заряда, равный 1/2. Принято говорить, что протон и нейтрон образуют дублет. Другие частицы также могут быть включены в аналогичные дублеты или в группы из трех частиц, называемые триплетами, или в «группы», состоящие всего лишь из одной частицы, – синглеты. Общее название группы, состоящей из любого числа частиц, – мультиплет.

Все попытки сгруппировать «странные» частицы аналогичным образом не увенчались успехом. Разрабатывая свою схему их группировки, Гелл-Манн обнаружил, что средний заряд их мультиплетов отличается от среднего заряда нуклонов. Он пришел к выводу, что это отличие может быть фундаментальным свойством «странных» частиц, и предложил ввести новое квантовое свойство, названное «странностью». По причинам алгебраического характера странность частицы равна удвоенной разности между средним зарядом мультиплета и средним зарядом нуклонов + 1/2. Гелл-Манн показал, что «странность» сохраняется во всех реакциях, в которых участвует сильное взаимодействие. Иначе говоря, суммарная «странность» всех частиц до сильного взаимодействия должна быть абсолютно равна суммарной «странности» всех частиц после взаимодействия.

Сохранение «странности» объясняет, почему распад таких частиц не может определяться сильным взаимодействием. При столкновении некоторых других, не «странных», частиц «странные» частицы рождаются парами. При этом «странность» одной частицы компенсирует «странность» другой. Например, если одна частица в паре имеет «странность» +1, то «странность» другой равна –1. Именно поэтому суммарная странность не странных частиц как до, так и после столкновения равна 0. После рождения «странные» частицы разлетаются. Изолированная «странная» частица не может распадаться вследствие сильного взаимодействия, если продуктами ее распада должны быть частицы с нулевой «странностью», так как такой распад нарушал бы сохранение «странности». Гелл-Манн показал, что электромагнитное взаимодействие (характерное время действия которого заключено между временами сильного и слабого взаимодействий) также сохраняет «странность». Таким образом, странные частицы, родившись, выживают вплоть до распада, определяемого слабым взаимодействием, которое не сохраняет «странность». Свои идеи ученый опубликовал в 1953 году.

В 1955 году Гелл-Манн женился на Дж. Маргарет Доу, которая была археологом. У них родились сын и дочь.

В 1955 году Гелл-Манн стал адъюнкт-профессором факультета Калифорнийского технологического института; в следующем году он стал полным профессором, а в 1967 году занял почетный профессорский пост, учрежденный в память Роберта Э. Милликена.

В 1961 году Гелл-Манн обнаружил, что система мультиплетов, предложенная им для описания «странных» частиц, может быть включена в гораздо более общую теоретическую схему, позволившую ему сгруппировать все сильно взаимодействующие частицы в «семейства». Свою схему ученый назвал восьмеричным путем (по аналогии с восемью атрибутами праведного жития в буддизме), так как некоторые частицы были сгруппированы в семейства, насчитывающие по восемь членов. Предложенная им схема классификации частиц известна также под названием восьмеричной симметрии. Вскоре независимо от Гелл-Манна аналогичную классификацию частиц предложил израильский физик Ювал Нееман.

Восьмеричный путь американского ученого часто сравнивают с периодической системой химических элементов Менделеева, в которой химические элементы с аналогичными свойствами сгруппированы в семейства. Как и Менделеев, который оставил в периодической таблице некоторые пустые клетки, предсказав свойства неизвестных еще элементов, Гелл-Манн оставил вакантные места в некоторых семействах частиц, предположив, какие частицы с правильным набором свойств должны заполнить «пустоты». Его теория получила частичное подтверждение в 1964 году, после открытия одной из таких частиц.

В 1963 году, находясь в качестве приглашенного профессора в Массачусетсском технологическом институте, Гелл-Манн обнаружил, что детальная структура восьмеричного пути может быть объяснена, если предположить, что каждая частица, участвующая в сильном взаимодействии, состоит из триплета частиц с зарядом, составляющим дробную часть электрического заряда протона. К такому же открытию пришел и американский физик Джордж Цвейг, работавший в Европейском центре ядерных исследований. Гелл-Манн назвал частицы с дробным зарядом кварками, заимствовав это слово из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану» («Три кварка для мистера Марка!»). Кварки могут иметь заряд +2/3 или –1/3. Существуют также антикварки с зарядами –2/3 или +1/3. Нейтрон, не имеющий электрического заряда, состоит из одного кварка с зарядом +2/3 и двух кварков с зарядом –1/3. Протон, обладающий зарядом +1, состоит из двух кварков с зарядами +2/3 и одного кварка с зарядом –1/3. Кварки с одним и тем же зарядом могут отличаться другими свойствами, т е. существуют несколько типов кварков с одним и тем же зарядом. Различные комбинации кварков позволяют описывать все сильно взаимодействующие частицы.

В 1969 году ученый был удостоен Нобелевской премии по физике «за открытия, связанные с классификацией элементарных частиц и их взаимодействий». Выступая на церемонии вручения премии, Ивар Валлер из Шведской королевской академии наук отметил, что Гелл-Манн «на протяжении более чем десятилетия считается ведущим ученым в области теории элементарных частиц». По мнению Валлера, методы, предложенные им, «принадлежат к числу наиболее мощных средств дальнейших исследований по физике элементарных частиц».

Среди других вкладов Гелл-Манна в теоретическую физику следует отметить предложенное им совместно с Ричардом П. Фейнманом понятие «токов» слабых взаимодействий и последующее развитие «алгебры токов».

Гелл-Манн любит наблюдать за птицами и бывать в местах, не тронутых цивилизацией. В 1969 году ученый помог организовать программу исследования окружающей среды, финансируемую Национальной академией наук США. Интересуется он и исторической лингвистикой.

Гелл-Манн состоит членом Американской академии наук и искусств, а также иностранным членом Лондонского королевского общества. За свои заслуги пред наукой он удостоен премии Дэнни Хейнемана Американского физического общества (1959), премии по физике Эрнеста Орландо Лоуренса Комиссии по атомной энергии Соединенных Штатов (1966), медали Франклина Франклиновского института (1967) и медали Джона Дж. Карта Национальной академии наук США (1968).