Нобелевские лауреаты: Исидор Айзек Раби

Американский физик Исидор Раби

Радиосвязь с атомами. Первый шаг к МРТ

О том, как несостоявшийся раввин открыл ядерный магнитный резонанс, как военные скрывали от него работу над ядерной бомбой и как он построил самые первые атомные часы

Исидор Айзек Раби
Родился 29 июля 1898 года, Рыманов, Австро-Венгрия (ныне Польша)
Умер 11 января 1988 года, Нью-Йорк, США
Нобелевская премия по физике 1944 года. Формулировка Нобелевского комитета: «За резонансный метод измерений магнитных свойств атомных ядер».

По-хорошему, нашего нынешнего героя можно записать в список польских нобелиатов. Впрочем, когда родился Исидор Исаак (тогда еще не Айзек, конечно), Рыманов на Лемковщине относился к Австро-Венгерской империи, а год спустя вся семья Раби эмигрировала в США. Так что в Подкарпатском воеводстве Польши Исидору пожить не удалось.

Как вы можете догадаться, в графе национальность у всех членов семейства Раби стояло «да». И родным языком нашего героя стал идиш (кстати, не так много всего нобелиатов, начинавших свою жизнь с идиш). Его родители, Давид Раби и Шнейдель Тейг, очень хотели, чтобы сын стал раввином, однако сын с детских лет увлекся наукой, несмотря на хасидскую начальную школу и овощную лавку отца. Как пишут, уже в 11 лет Исидор был самым частым и любопытным читателем публичной библиотеки, придумал собственную систему связи и опубликовал научную статью в местном издании для радиолюбителей Modern Electric о том, как самостоятельно сделать электрический конденсатор. Посему юноша очень разочаровал своих родителей: мало того, что не стал раввином, после ознакомления с гелиоцентрической системой устройства мира, вообще перешел в лоно атеизма.

Обложка журнала Modern Electric

Wikimedia Commons

Впрочем, чтобы совсем не добивать их, он все же прошел обряд бар-мицвы (совершеннолетия у иудеев), однако вместо отрывка Торы он прочитал на иврите текст по электротехнике. Да, с чувством юмора и умением идти на компромисс у Раби было все в порядке. Так что вместо изучения Торы юноша проучился в Бруклинской школе ремесел, а затем, получив стипендию, поступил в Корнеллский универитет. Правда, начал обучение он по электротехнике, а бакалаврский диплом получил в 1919 году в области химии.

Еще несколько лет ушло на метания между химией и физикой. Из Корнелла — в Колумбийский университет, где его научным руководителем стал Альберт Поттер Уиллис, специалист в области магнитных материалов. Именно Уиллис «обратил» Раби к магнетизму, что, в свою очередь, привело его к Нобелевской премии по физике 1944 года.

Уже в 1926 году Раби защитил свою PhD-диссертацию, которая была посвящена получению магнитных кристаллов и изучению их свойств. После чего наш герой получил стипендию и отправился на стажировку в Германию, бесспорно, центр мировой физики в то время. Поездка продлилась с сентября 1927-го по июнь 1928 года. Правда, сначала Раби отправился в Цюрих, где надеялся поработать с Эрвином Шредингером, однако Шредингер уже покинул университет. Зато там Раби встретил двух американцев, почти что ровесников, в будущем тоже ставших знаменитыми: Джулиуса Страттона, автора теории волнового сопротивления вакуума, и Лайнуса Полинга — впоследствии дважды лауреата Нобелевской премии.

Лайнус Полинг

Так или иначе, Раби оказался в Гамбурге, где ему довелось поработать с Отто Штерном — будущим нобелевским лауреатом 1943 года, автором метода молекулярных пучков и первооткрывателем спина электрона. Именно используя молекулярные пучки, экспериментируя с магнитными моментами атомных ядер, Раби совершил свое главное открытие.

Для начала давайте вспомним опыт Штерна — Герлаха. Эксперимент выглядел так: пучок атомов серебра проходил через сильно неоднородное магнитное поле, создаваемое мощным постоянным магнитом, и это поле вызывало отклонение атомов. Классическая теория предсказывала, что отклонение атомов с различными направлениями магнитного момента будет распределено непрерывно, что приведет к расширению узкого пучка. Квантовая теория предсказывала, что атомы будут отклоняться только одним из двух способов, то есть пучок расщепится на два. Так и вышло у Штерна и Герлаха.

Опыт Штерна — Герлаха

Wikimedia Commons

Таким образом, опыт подтвердил квантование проекции вектора магнитного момента атомов. Так Штерн в 1921 году открыл спин, который тремя годами позже предсказал Вольфганг Паули. Следующий ход был за Раби.

Вот как этот ход описывал профессор Эрик Хултен во время представления Штерна и Раби всему миру как новых нобелевских лауреатов: «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.

Спектр ядерного магнитного резонанса —

одно из применений открытия Раби в наше время

Wikimedia Commons

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».

МРТ головного мозга

Wikimedia Commons

Так было сделано одно из важнейших открытий ХХ века, которое принесет еще немало Нобелевских премий и к середине 1970-х годов приведет к созданию революционно нового метода медицинской диагностики — магнитно-резонансной томографии. К счастью, Исидор Исаак Раби успел дожить до достаточно широкого распространения МРТ в медицине: умер он в 1988 году.

Кстати, сам Раби тоже использовал открытый им ядерный магнитный резонанс, правда, совсем по-другому. Уже в 1945 году, после получения Нобелевской премии, он предложил (а потом сам же и реализовал свое предложение) использовать ЯМР для того, чтобы создать атомные сверхточные часы. Нельзя не сказать и о том, что без ЯМР не могут жить современные химики-органики, поскольку спектры, полученные этим методом, очень сильно облегчают расшифровку структуры новых веществ.

Во время Второй мировой войны Раби работал над новыми радарами и консультировал физиков Лос-Аламоса, не зная о разработке атомного оружия. Военные чины (особенно военный руководитель Манхэттенского проекта Лесли Гровс) ломали голову, как удалить Раби из Лос-Аламоса во время испытания Тринити — прототипа атомной бомбы. Гровс очень боялся, что друг Раби Оппенгеймер все-таки проговорится.

Первое испытание ядерной бомбы

Wikimedia Commons

Кстати, может быть, именно это привело Раби в ряды сторонников запрещения и контроля за ядерным оружием. Недаром ему приписывают фразу «без Теллера (создатель водородной бомбы) мир был бы лучше».

У Раби очень много заслуг перед физикой. Кроме ЯМР, мы можем вспомнить, например, и созданный им для радаров полостной магнетрон, но главная его заслуга — воспитание физиков. Так, за время его руководства физическим факультетом Колумбийского университета под его началом работало 11 будущих нобелиатов, включая одну из двух женщин — лауреатов по физике, Марию Гепперт-Майер, а он сам был научным руководителем троих нобелиатов: Мартина Перла, Нормана Рамзея (который, кстати, получит «Нобеля» за атомные часы) и Джулиана Швингера.

Достойная, длинная и счастливая жизнь: 89 лет, из них 62 года в браке (супруга Элен Ньюхаус пережила мужа на 17 лет, прожив 102 года), преподавание до последних дней, множество наград… Не самая плохая карьера для неудавшегося раввина.

Алексей Паевский