Время вспять, или Физик, физик, где ты был - Анатоль Абрагам

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

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

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

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

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

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

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

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

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