Брайан Джозефсон

Биография

Уэльский физик Брайан Дэвид Джозефсон родился в Кардиффе в семье Абрахама и Мими Джозефсон. По окончании местной средней школы он поступил в Тринити-колледж Кембриджского университета, который окончил в 1960 г. со степенью бакалавра. В том же колледже Д. получил ученые степени магистра и доктора наук (1964). С 1962 по 1969 г. он младший научный сотрудник Тринити-колледжа.

Впервые известность пришла к Д., когда он, еще в студенческие годы (I960), обратил внимание на то, что все исследователи, применявшие эффект Мессбауэра (названный по имени Рудольфа Л. Мессбауэра) для измерения гравитационного красного смещения гамма-излучения (которое можно рассматривать как свет, обладающий высокой энергией), упустили из виду основной источник ошибок в своих экспериментах. Общая теория относительности Альберта Эйнштейна указывает на то, что движение фотонов (в частности, фотонов гамма-излучения) в гравитационных полях сопровождается изменением их энергии. Экспериментаторы пытались измерить изменение длины волны гамма-излучения, распространяющегося снизу вверх и сверху вниз какой-либо башни. Д. заметил, что различие между температурой источника и детектора гамма-излучения всего лишь на 1°С приводит к сдвигу длин волн на величину, примерно равную той, которую экспериментаторы пытались измерить. Открытие Д. заставило ученых повторить свои исследования при строгом контроле температуры наиболее ответственных частей измерительных приборов.

Около 1962 г. Д. приступил к изучению сверхпроводимости – явления, состоящего в том, что при охлаждении веществ до температуры ниже определенной критической их электрическое сопротивление падает до нуля. Сверхпроводимость возникает вследствие способности спаренных электронов в проводнике взаимодействовать через атомные колебания (фононы), возбуждаемые в веществе. Незадолго до этого Айвар Джайевер, работавший в компании «Дженерал электрик», обнаружил, что если электрический контакт состоит из сверхпроводящего материала и нормального металла с очень тонкой прослойкой изолятора, разделяющей два проводника, то его электрические свойства позволяют получить множество информации о свойствах сверхпроводника. В 1962 г. Д. теоретически рассчитал, как будет вести себя аналогичный контакт между двумя сверхпроводниками. Он обнаружил, что ток может течь через изолятор и при отсутствии разности потенциалов между двумя проводниками (стационарный эффект Джозефсона). Это был совершенно неожиданный, не согласующийся с классическими физическими моделями результат. Д. также предположил, что если к контакту приложить разность потенциалов, то через него пойдет осциллирующий ток с частотой, зависящей только от величины приложенного напряжения (нестационарный эффект Джозефсона). Оба эффекта очень чувствительны к магнитному полю в области контакта. Эти явления были вскоре подтверждены экспериментально, и их свойства оказались в полном согласии с теорией. Д. Более того, многие экспериментаторы, используя методику Джайевера, и ранее наблюдали эффекты Джозефсона, но отбрасывали их как «шумы»

Открытие эффектов Джозефсона оказало существенное влияние на современную физику Частота переменного тока зависит от приложенного к контакту напряжения и отношения заряда электрона к постоянной Макса Планка (основной физической константы, определяющей поведение систем, масштабы которых порядка атомных и меньше). Эффекты Джозефсона позволили резко увеличить точность, с которой известна величина отношения (e/h). Они способствовали созданию принципиально нового квантового стандарта напряжения, используемого ныне во многих национальных бюро стандартов. Соединяя в замкнутую цепь два джозефсоновских контакта, экспериментаторы сконструировали необычайно чувствительные датчики магнитного поля. Такие устройства, называемые сквидами (от англ. SQUID сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство), самые чувствительные из известных ныне детекторов магнитного поля. Они применяются для измерения магнитных полей живых организмов, составления магнитных карт и детектирования объектов, скрытых под поверхностью. На основе эффектов Джозефсона были изготовлены и чувствительные детекторы очень слабых изменений напряжения Многообещающие перспективы сулит также использование узлов, в основу которых положены эффекты Джозефсона, в качестве элементов быстродействующих компьютерных цепей с очень низким потреблением энергии.

В 1969 г. Д. стал старшим научным сотрудником Кембриджского университета. В 1966 1967 гг. он побывал в качестве приглашенного профессора в университете штата Иллинойс. С 1967 по 1972 г. Д. был заместителем директора по научным исследованиям в Кембридже. С 1972 по 1974 г. преподавателем, а с 1974 г. – профессором физики Кембриджского университета.

Д. был удостоен половины Нобелевской премии по физике 1973 г. «за теоретические предсказания свойств тока, проходящего через туннельный барьер, в частности явлений, общеизвестных ныне под названием эффектов Джозефсона». Другую половину премии разделили Лео Эсаки и Айвар Джайевер. Представляя лауреатов, Стиг Лундквист из Шведской королевской академии наук заметил, что пионерские работы Эсаки заложили основу для открытия Джайевера, которое в свою очередь послужило импульсом для теоретических работ Д.

В последующие годы Д. продолжал заниматься исследованием сверхпроводимости и критических явлений, возникающих в системах вблизи точек перехода, например критической точки воды (в которой исчезает различие между жидкой и газовой фазами), и аналогичных переходов между сверхпроводящим и нормальным состояниями в тех системах, в которых такие переходы возможны. В конце 60-х гг. Д. проявил интерес к проблемам разума и интеллекта. В начале 70-х гг. он занимался трансцендентальной медитацией. Д. надеялся, что ему удастся достичь синтеза современной физики и математики, с одной стороны, и теории интеллекта, развиваемой духовным лидером Махариши Махешем Йоги, – с другой. Д. оставил свои исследования в русле основного потока физики, чтобы целиком посвятить себя трансцендентальной медитации и ментальной теории. Комментируя свое решение, он заявил: «Я избираю весьма нетрадиционный теоретический подход к явлениям интеллекта, поскольку убежден, что наиболее фундаментальные понятия, относящиеся к нему, были открыты еще в древности... В частности, в своих исследованиях я в значительной степени исхожу из формулировок, почерпнутых мной в многочисленных лекциях Махариши Махеша Йоги. Я надеюсь, что полезность и правильность развиваемых им представлений будут подтверждены с помощью компьютерного моделирования».

В 1976 г. Д. вступил в брак с Кэрол Энн Оливер. У них есть дочь. Свой досуг Д. проводит, занимаясь горным туризмом, астрономией, конькобежным спортом и фотографией.

В числе прочих наград Д. удостоен премии «За успехи в науке» Американской исследовательской корпорации (1969) и медали Хьюза Лондонского королевского общества (1972). Он член Лондонского королевского общества и иностранный член американского Института инженеров по электротехнике и электронике. Американской академии наук и искусств.