Нобелевские премии. Ученые и открытия - Валерий Чолаков

Даже самые первые, еще очень несовершенные транзисторы были во всех отношениях значительно удобнее электронных ламп и быстро начали их вытеснять. Теория транзисторного эффекта сама по себе имела большое, значение для теоретической физики. По этим причинам Нобелевский комитет принял решение присудить Нобелевскую премию по физике за 1956 г. трем названным ученым — за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта. За прошедшие три десятилетия полупроводниковая техника принципиально усовершенствовалась и привела к возникновению современной микроэлектроники. Без сомнения, изобретение транзистора явилось одним из крупнейших открытий нашего века, которое сделало возможной автоматизацию многих процессов и внесло коренные изменения в жизнь людей. Это во многом было предопределено изобретением радио и развитием радиотехники. Исследования радиоволн привели также к интересным открытиям, имеющим серьезные последствия.

В первое время после изобретения радио выдвигались самые различные гипотезы о распространении радиоволн. В 1902 г. английский физик Оливер Хевисайд предположил, что в верхней части атмосферы имеется ионизированный слой, отражающий радиоволны. Это дает возможность принимать в Европе радиосигналы, например, из далекой Новой Зеландии. Радиоволны, последовательно отражаясь от атмосферы и земной поверхности, обходят вокруг всего земного шара. Однако это относится только к радиоволнам определенного диапазона. Ультракороткие радиоволны не отражаются от ионизированного слоя атмосферы, и поэтому телевизионный сигнал можно принимать лишь в зоне прямой видимости.

В 1924 г. было убедительно доказано существование ионосферы и определено расстояние до нее от поверхности Земли. Это сделал английский физик Эдуард Виктор Эплтон из Кавендишской лаборатории, основываясь на исключительно простой идее. Исходя из того, что излучаемый радиосигнал и сигнал, отраженный от высоких слоев атмосферы, проходят различное расстояние, он предположил, что между ними должна происходить интерференция — наложение волн, в результате чего волны взаимно усиливают или гасят друг друга. Это явление хорошо знакомо радиослушателям: иногда радиопередачи хорошо принимаются с больших расстояний, а порой мы слабо слышим даже близкие радиостанции.

Измерив силу сигнала, Э. Эплтон путем простых математических расчетов установил, что ионосфера находится на высоте около 90 км. К 1927 г. он изучил различные ионосферные слои. Обобщив многочисленные данные, Эплтон разработал магнитно-ионную теорию высоких слоев атмосферы. Согласно этой теории, ионы образуются под действием солнечного света и космических лучей и сильно влияют на магнитное поле Земли. Именно этими факторами определяются структура ионосферы и качество радиосвязи.

Исследования Э. Эплтона имели важное значение для радиосвязи, а также для физики земной атмосферы и околоземного пространства. За свой вклад он получил в 1947 г. Нобелевскую премию по физике.

Радиоастрономия

Оказалось, что беспрепятственное прохождение ультракоротких волн через земную атмосферу имеет исключительно большое значение для современной астрофизики. Сегодня исследование небесных тел с помощью радиотелескопов — это, по существу, еще одно «окно» во Вселенную. Как и многие другие открытия, радиоастрономия родилась также случайно.

В 1929 г. фирма «Белл телефон лабораторис» поручила молодому инженеру Карлу Янскому исследовать помехи на трансатлантическом канале радиосвязи. В его распоряжение был предоставлен чувствительный радиоприемник, который затем дополнили большой антенной для определения направления шумов. После длительного наблюдения выяснилась в общих чертах картина радиопомех. Большинство из них, как оказалось, вызываются грозами. Однако на эти помехи накладывался еще какой-то загадочный радиошум, идущий с неба.

Янский прежде всего установил, что интенсивность этого «шума» изменяется с периодом в 23 ч 56 мин (за это время делают полный оборот звезды на небесной сфере). К декабрю 1932 г. он уже мог сообщить, что максимальная интенсивность космического излучения наблюдается в той части небесной сферы, которая, по данным астрономов, находится в центре Галактики. Это открытие было встречено с большим интересом широкой общественностью, но, как ни странно, специалисты не обратили на него внимания. Единственным человеком, который занялся изучением этого вопроса с точки зрения астрономии, был американский радиолюбитель Гроут Ребер. В 1936 г. он собственноручно изготовил почти десятиметровый радиотелескоп-рефлектор и к 1944 г. составил первую радиокарту неба. На протяжении почти десятилетия этот исследователь-любитель оставался единственным радиоастрономом в мире.

В середине 40-х годов идея о существовании космических радиоисточников по-прежнему вызывала сомнения у специалистов, и статья Ребера с первыми радиокартами неба была напечатана в Astrophysical Journal после больших колебаний. Вскоре, однако, положение изменилось. Во время второй мировой войны возник новый вид техники — радиолокаторы. После войны с помощью таких устройств, быстро приспособленных для научных исследований, стали проводить первые наблюдения уже профессиональные астрономы. Одним из пионеров в этой области был англичанин Мартин Райл.

В 1952 г. Райл предложил вместо одной большой антенны использовать несколько малых. Сопоставление сигналов давало возможность синтезировать с помощью компьютера изображение, какое получалось бы при использовании радиотелескопа диаметром, равным расстоянию между антеннами. Этот так называемый метод интерферометрии оказался необычайно плодотворным. Вскоре начали использовать системы антенн, расположенных на большом расстоянии друг от друга — даже на различных континентах.

Так были созданы радиоинтерферометры, которые позволяют определять угловые размеры небесных объектов с точностью, далеко превосходящей возможности оптических телескопов.

Исследования Мартина Райла сыграли важную роль в развитии радиоастрономии. Его большие заслуги получили высокую оценку в 1974 г., когда он был назван одним из двух лауреатов Нобелевской премии по физике. Профессор Райл был избран членом Лондонского королевского общества и ряда иностранных академий, в том числе и Академии наук СССР. Интересно отметить, что после шумного признания его успехов он был назначен королевским астрономом — впервые эта почетная должность, имеющая глубокие традиции, была дана радиоастроному.

Другим лауреатом Нобелевской премии по физике в 1974 г. стал английский радиоастроном Энтони Хьюиш. Под его руководством были открыты пульсары, которые относятся к числу самых интересных объектов во Вселенной.

Хьюиш и возглавляемая им группа проводили исследования мерцаний сигналов радиоисточников с малыми угловыми размерами. Их основным инструментом был довольно грубый, но достаточно хороший радиотелескоп, построенный студентами из Кембриджа под руководством двух радиоинженеров. На его изготовление было затрачено 10 тыс. фунтов стерлингов — такова цена открытия пульсаров.

В июле 1967 г. была начата расширенная программа исследований. Вскоре аспирантка Джоселин Белл обнаружила необычные радиосигналы. В сентябре неизвестный источник был зарегистрирован еще несколько раз, при этом выяснилось, что он излучает импульсы регулярно с интервалом немногим более секунды. Первой мыслью Хьюиша было, что это какая-то помеха, идущая из ближайших окрестностей. Тщательно проверив все результаты, исследователи окончательно пришли к выводу: сигналы действительно идут из космоса. Судя по характеру импульсов, Хьюиш решил, что источник имеет очень малые размеры (приблизительно порядка размера планеты). Возникло подозрение, не являются ли эти строго периодические сигналы посланием какой-то цивилизации — «маленьких зеленых человечков».

На протяжении всего декабря 1967 г. ученые пытались выяснить, не вращается ли этот источник радиоволн вокруг какого-то небесного тела. Ответ был отрицательным. Следовательно, сигналы не были делом рук «зеленых человечков». Тогда Хьюиш него сотрудники углубились в литературу, посвященную эволюции звезд. Они предполагали, что пульсары, как уже были названы эти радиоисточники, — это определенный этап в эволюции звезд. Тем временем к февралю 1968 г., когда Хьюиш подготовил публикацию об открытии, были замечены еще три пульсара.

Хьюиш считал, что пульсары — звезды типа белых карликов. Вскоре, однако, было доказано, что пульсары представляют собой нейтронные звезды. С точки зрения наших обычных, земных представлений, это невероятные объекты. Согласно современным теориям, они возникают в результате взрывов сверхновых звезд. Огромное давление приводит к образованию тела с плотностью атомного ядра, состоящего исключительно из нейтронов. Размеры этого остатка бывшей звезды очень невелики (порядка нескольких десятков километров в диаметре) и ученые в шутку назвали нейтронные звезды «белыми горошинками».