Эдуард Пёрселл

Биография

Американский физик Эдуард Миле Пёрселл родился в г. Тейлорвилле (штат Иллинойс), в семье Эдуарда А. Пёрселла и Мэри Элизабет (в девичестве Миле) Пёрселл. Начальное и среднее образование получил в государственных школах Тейлорвилля и Маттуна. В 1929 г. П. поступает в Университет Пёрдью в г. Лафайете (штат Индиана). К моменту получения степени бакалавра по электротехнике (1933) он начинает интересоваться физикой. Проведя год студентом по обмену в техническом Университете Карлсруэ (Германия), П. поступает в аспирантуру по физике при Гарвардском университете, где получает степени магистра (1936) и доктора философии (1938). До 1940 г. он остается в Гарварде преподавателем.

Во время второй мировой войны П. переходит в радиолокационную лабораторию Массачусетского технологического института, созданную для разработки микроволнового радара. Там он возглавляет группу фундаментальных исследований (1941...1945), занимавшуюся разработкой новой техники для генерации и обнаружения микроволн (высокочастотного электромагнитного излучения). В этот период он также вступает в контакт с И.А. Раби, который в то время изучал свойства атомов и молекул с помощью радиоволн. В 1946 г. П. возвращается в Гарвард в качестве адъюнкт-профессора физики и в 1949 г. становится полным (действительным) профессором. Знания свойств излучения микроволнового и радиочастотного диапазонов, полученные при разработке радарных систем, помогли П. в его гарвардских исследованиях магнитных моментов ядер, которые принесли ему впоследствии Нобелевскую премию.

С 20-х гг. было известно, что атомное ядро вращается вокруг собственной оси и действует как крохотный магнит. Точное знание магнитных моментов (силы магнитов) различных ядер важно для физиков, пытающихся понять поведение ядра. В особенности физикам необходимо было знать магнитный момент протона (фундаментальной составляющей ядра). В 30-х гг. Раби предложил способ измерения магнитных моментов с помощью радиоволн, но его метод требовал испарения образца. П. поставил перед собой задачу разработать метод, который не только не разрушал бы образец, но и превосходил бы по точности метод Раби. Примерно в то же время Феликс Блох из Станфордского университета (также участвовавший в годы войны в создании и усовершенствовании радарной техники) приступил к работе над той же проблемой. Одновременно и независимо друг от друга два исследователя предложили, по существу, одинаковые методы измерения ядерных магнитных моментов.

Магнитный момент вынуждает ядро прецессировать в магнитном поле. Прецессия – это круговое движение наклонной оси вращающегося объекта. Известным примером может служить качающееся движение вращающегося волчка (хотя прецессия волчка происходит под действием гравитации, а не магнетизма). Частота, или скорость, ядерной прецессии зависит от напряженности магнитного поля и от магнитного момента конкретного ядра. Если известна напряженность внешнего магнитного поля, а частота прецессии измерена, то магнитный момент ядра может быть вычислен. Метод, развитый П. в 1946 г., состоял в том, что исследуемый образец помещали между полюсами небольшого магнита, приводимого в действие радиосигналами. Поле магнита флуктуировало (включалось и выключалось) с частотой, соответствующей частоте управляющих радиоволн. В свою очередь этот небольшой магнит помещался в гораздо более интенсивное поле большого нефлуктуирующего магнита. Сильное постоянное поле заставляло ядра в образце прецессировать с некоторой постоянной (хотя и неизвестной) частотой. Когда частота флуктуации слабого поля в точности совпадала с частотой прецессии ядер, ориентация ядерных спинов скачком изменялась на противоположную: возникал легко обнаруживаемый эффект, получивший название ядерного магнитного резонанса (ЯМР). ЯМР позволяет с высокой точностью измерять частоту прецессии: она совпадает с частотой радиосигналов, посылаемых в момент наступления ЯМР. Но коль скоро частота прецессии ядер в образце известна, ядерные магнитные моменты могут быть вычислены со столь же высокой точностью.

Метод Пёрселла не приводит к сколько-нибудь ощутимым изменениям в исследуемом веществе и позволяет вычислять магнитные моменты с большей, чем почти при любом другом экспериментальном методе, точностью. Кроме того, коль скоро магнитный момент атомного ядра определен, его можно использовать для измерения напряженности любого магнитного поля. Таким образом, помимо информации, существенной для специалиста по ядерной физике, ЯМР дает удобный и высокоточный метод измерения магнетизма с помощью радиоволн.

С помощью ЯМР П. обнаружил, что на поведение магнитных моментов ядер в молекуле оказывают влияние магнитные поля окружающих электронов. В то время как физикам, пытающимся определить свойства ядра, такие эффекты могли казаться досадными тонкостями, присущими молекулам, химики нашли их весьма важными и полезными, поскольку эти эффекты содержат важную информацию о структуре исследуемой молекулы. ЯМР быстро стал одним из наиболее мощных аналитических инструментов химии. Кроме того, измерения ЯМР могли использоваться и при исследовании живых организмов, поскольку не причиняют последним никакого вреда. Появившиеся в 70-е гг. сканирующие устройства на основе ЯМР позволяют наблюдать специфические химические реакции, происходящие в организмах людей или других крупных млекопитающих. Необычайно полезные в научных исследованиях, ЯМР-сканнеры оказались удобным инструментом медицинской диагностики. В середине 80-х гг. достоянием медиков стало выпускаемое промышленностью сканирующее диагностическое оборудование на основе ЯМР.

В 1951 г. П. с помощью ЯМР открыл, что атомы межзвездного водорода испускают электромагнитное излучение на радиочастоте, соответствующей длине волны, равной 21 см. Он быстро понял, что это излучение может служить своеобразным наблюдательным окном в астрономических исследованиях. Считалось, что межзвездное пространство содержит огромные облака водорода, но, поскольку водород в космическом пространстве не испускает света, он не наблюдаем оптическими методами. П. в сотрудничестве с Гарольдом Джюэном удалось построить первый радиотелескоп, предназначенный для обнаружения излучения с длиной волны, равной 21 см. Затем радиотелескопы позволили определить общую структуру нашей Галактики, несмотря на затемняющие облака галактической пыли.

Применение методов, разработанных П. для физических исследований, к решению проблем астрономии, химии и медицины, вызвавшее подлинный переворот в этих областях, явилось выдающимся примером того, как фундаментальные исследования могут приводить к практическим результатам, лежащим далеко за рамками области первоначальных поисков.

П. и Блох были удостоены Нобелевской премии по физике 1952 г. «за создание новых точных методов ядерных магнитных измерений и связанные с ними открытия». В Нобелевской лекции П. так отозвался о ядерной прецессии: «Меня и поныне не покидает ощущение чуда и восторга по поводу того, что это едва уловимое движение присутствует во всех обыкновенных вещах, которые окружают нас... Я вспоминаю, как зимой во время наших первых экспериментов... снежинки виделись мне в совершенно новом свете. Сугробы снега, лежавшие у моего крыльца, предстали предо мной, как груды протонов, тихо прецессирующих в земном магнитном поле. Увидеть на миг наш мир как нечто необычайно разнообразное и необычное – такова награда первооткрывателю за его открытие».

В 1958 г. П. становится профессором физики к Гарварде, где и остается до выхода в отставку. Его назначают научным советником (1957...1960) и членом Президентского научно-консультативного комитета США (1957...1960, 1962...1966). В этот период П. много сделал для повышения уровня преподавания физики в американских средних школах и колледжах, будучи членом комиссии, занимавшейся пересмотром программ по физике, а также членом Комитета по изучению положения в физической науке. Он принял активное участие в разработке вводного курса по физике, адаптированного в Беркли, для которого написал учебник «Электричество и магнетизм» («Electricity and Magnetism», 1965), по общему признанию, являющийся шедевром. В 1980 г. П. становится почетным профессором Гарвардского университета.

В 1937 г. П., тогда еще работавший над докторской диссертацией, женился на Бет С. Басснер. У них родилось двое сыновей. В часы досуга П. любит совершать пешие прогулки, кататься на лыжах, посещать музеи современного искусства.

Кроме Нобелевской премии, П. был награжден медалью Эрстеда Американской ассоциации преподавателей физики (1968) и Национальной медалью «За научные достижения» Национального научного фонда (1980). Он состоит членом американской Национальной академии наук, Американской академии наук и искусств, Американского философского общества и Американского физического общества, президентом которого он был в 1980 г. С 1950 по 1971 г. П. состоял старшим членом Общества выпускников Гарвардского университета. Он удостоен почетной степени Университета Пёрдью.