Свет, материя и шесть рукопожатий
Цель этой заметки — доступно объяснить читателям, за что именно мы номинируем на премию «Сделано в России» Анатолия Константиновича Звездина.
Можно, конечно, объяснить это буквально одним абзацем, и будет доступнее некуда. Вот представьте себе компанию атомов, у которых электроны суетливо вращаются, кто как хочет. И мы запускаем по этим атомам очень короткий электромагнитный — если угодно, световой — импульс. Импульс такой короткий, что поле в нем поколебалось буквально один раз, туда-сюда. И все — этого хватило, чтобы все атомные волчки закрутились в одном направлении, да так и остались крутиться, хотя импульс уже давным-давно кончился. Если мы научимся так ловко и быстро закручивать атомные волчки, то у нас будут очень быстрые компьютеры, потому что магнитные ячейки памяти — это как раз и есть группы атомов, у которых все крутится в одном направлении.
Физики, можете выдохнуть: больше таких грубых профанаций до конца заметки не будет.
То же самое можно объяснять долго и сложно, используя слова «фотоника», «спинтроника» и «магнитные гетероструктуры» (два последних слова присутствуют в названии лаборатории, которую профессор Звездин возглавляет в Физтехе, а первое — в названии журнала Nature Photonics, где опубликованы его последние статьи). Для этого, правда, придется пересказать читателю всю физику, с древних времен и до наших дней.
Возможно, читателю кажется, что эта самая «вся физика» — очень долгая и скучная история, которая ни за что не уместится в одной человеческой голове и которую веками строят по кирпичикам тысячи муравьишек-ученых. А вот ничего подобного. История той проблемы, которой занимается Звездин с коллегами, началась всего полтора века назад. А череда ученых, по эстафете передававших ее друг другу — от полного незнания до нынешнего положения дел, — состоит всего из шести физиков*. Так что мы просто попробуем их перечислить.
История электродинамики сплошных сред в шести физиках. Физик первый
Нашу историю следует начать с Майкла Фарадея. Этот знаменитый британец в 1845 году подметил, что если поляризованный свет пропускать через вещество, помещенное в магнитное поле, то поляризация света меняет направление.
Ах, вы не знаете, что такое «поляризованный свет» и «магнитное поле»?! Ничего страшного: Фарадей об этом тоже понятия не имел. Более того, мы в начале рассказа напомнили вам, что свет — это электромагнитные колебания, а Фарадей, чистая душа, не знал даже этого. Он просто поведал миру, что, если сделать вот так, можно наблюдать вот этакое.
Когда Фарадей придумал свой фокус (известный с тех пор как «эффект Фарадея»), ему было 54 года. А когда ему стукнуло 70, он получил от своего молодого коллеги письмо, где тот утверждал, что эффект Фарадея он ловко объяснил.
Физик второй
Коллегу звали Джеймс Клерк Максвелл, и его объяснение выглядело полной чертовщиной. Там были какие-то «молекулярные вихри», которые своим вращением увлекали поляризацию света. Из всего этого, по мнению Максвелла, как-то следовало, что сам свет — это электромагнитное поле. Тридцатилетний выскочка даже написал несколько довольно элегантных уравнений, описывающих всю эту невнятную муть с вихрями.
Забегая вперед, отметим, что уравнения-то как раз оказались не просто точными, а самыми точными из всего, что физика открыла к тому моменту (а возможно, и доныне). А вот «вихри» ожиданий не оправдали: позже выяснилось, что эффект Фарадея без квантовой механики вообще никак не объяснить. До расщепления энергетических уровней в магнитном поле ни один современник Максвелла при всем желании додуматься не смог бы.
Позже Максвелл написал статью, а потом и книжку «Трактат об электричестве и магнетизме», причем стиль его рассуждений с годами не стал яснее. Видимо, поэтому большинство англоговорящих физиков принимало его идею об электромагнитной природе света с ужасающим скрипом. При жизни Максвелла его гипотезы воспринимались многими как прихоть ума, в которой, возможно, что-то есть, но что именно — пока непонятно. Наверное, примерно так сейчас большинство физиков оценивают концепцию «космологического времени» Шона Кэррола или интерференцию параллельных вселенных Дэвида Дойча.
Но кое-кто Максвелла сразу понял. Среди тех немногих, кого его идея вдохновила, были и русские физики — Умов и Столетов. Наверное, это тот случай, когда помогает плохое знание языка: можно не отвлекаться на стилистические тяжести и запутанную логику, а скакать глазами по формулам, сразу схватывая суть. С этого момента наша линия сюжета перемещается в Россию.
Физик третий
Николай Алексеевич Умов начал читать лекции по экспериментальной физике в Московском университете после рано умершего Столетова. Столетова студенты ненавидели (кажется, это было взаимно, ибо каждый экзамен превращался в кровавую бойню); Умова обожали. Андрей Белый, слушавший умовские лекции, даже посвятил ему стихи:
«...И строгой физикой мой ум переполнял профессор Умов, над мглой космической он пел, развив власы и выгнув выю, что парадоксами Максвелл уничтожает энтропию, что взрывы, полные игры, таят Томсоновские вихри, и что огромные миры в атомных силах не утихли».
Конечно, Умов был поэтом, пророком и философом — видимо, благодаря этому он сразу оценил величие гипотезы Максвелла, и, наверное, благодаря этим же качествам сам ничего особенно важного в физике не сделал. Зато дожил до общей теории относительности и до квантовой механики. Ученые все-таки живут не ради суетной славы, а чтобы как можно больше понять об устройстве природы, и Умов успел понять — пусть и из чужих статей — чертовски много. А еще успел рассказать об этом студентам. В 1909 году на его лекцию впервые пришел студент Сергей Вавилов.
Физик четвертый
Что больше всего поразило Вавилова на лекциях Умова, мы уже не узнаем, но догадаться можем. Сергей Иванович в течение жизни отметился едва ли не во всех областях физики, но физическая оптика была его вечной любовью: последняя монография Вавилова называется «Микроструктура света». Кажется, что-то важное из провиденного в смутных пророчествах Максвелла Умов до него донес.
В эпоху Вавилова разбираться в сложных отношениях материи и света было уже невозможно без помощи квантовой механики. Проблемы, которыми занимался вавиловский институт — «Почему кристаллы такие разноцветные?» или «Почему электроны, быстро летя в веществе, красиво светятся голубым светом?», — еще выглядят по-детски классичными, но в своей основе это уже та самая зубодробительная современная физика, которая питает ум нынешних физтеховцев, а нам грозит квантовыми компьютерами.
Сергей Иванович Вавилов получил целых четыре премии имени убийцы своего брата, то есть Сталинских. А вот Нобелевской — за голубые электроны — не получил, просто не дожил. Нобелевскую получил парень, пришедший к Вавилову в аспирантуру ФИАНа в 1939 году. Парня звали Александр Прохоров. И занялся он все той же историей — распространением электромагнитных колебаний в веществе.
Физик пятый
Россия дала миру всего дюжину нобелевских лауреатов-физиков, и Прохорова, с его лазерами, просто не могло не быть в их числе. Эти самые лазеры, говорят, потребовали от него немалой организаторской воли. В лаборатории Прохорова занимались самыми разными аспектами взаимодействия электромагнитных полей с веществом, в том числе СВЧ-излучением (и, собственно, тем самым «терагерцовым» излучением, которое входит в сферу интересов Анатолия Звездина). Так вот, в один прекрасный день Прохоров запретил все работы по СВЧ и лично разбил лабораторные приборы. Был скандал, многие уволились. Зато остальные сосредоточились на лазерах и дотянули до Нобелевки.
Лазеры — это на самом деле вот что. Прохоров и его коллеги придумали, как с помощью атомов (материи) из обычного электромагнитного поля можно соорудить необычное — огромную кучу фотонов, которые находятся ровно в одном и том же квантовом состоянии. С помощью таких фотонов, оказывается, можно делать забавные вещи. Например, изобразить в небе над Красной площадью здоровенный портрет Путина, забацать веселый узорчик на потолке бара или посветить ими в глаза пилоту, ведущему самолет на посадку, и посмотреть, что будет. А еще можно создавать фемтосекундные импульсы, с которыми сейчас работает Звездин.
О Прохорове помнят еще кое-что. Прохоров вместе с тремя другими академиками в 1983 году подписал письмо под названием «Когда теряют честь и совесть», опубликованное в «Известиях». В нем осуждалась деятельность академика А. Д. Сахарова. Говорят, что потом об этом жалел. Мы тут пишем об этом не для того, чтобы кого-то судить, а просто хотим бережно передать информацию следующим поколениям. Может, эти поколения решат, что оплевывать Сахарова с подачи КГБ для блага отчизны — дело хорошее и правильное, ну тогда они и в нашей заметке никакого очернительства не увидят. А может, новое поколение рассудит по-другому, и вот ради этого мы как раз муссируем все эти неприятные истории**.
Впрочем, вернемся к квантовой электронике, основоположником которой не без оснований считают академика Прохорова. Именно под началом Прохорова — в ИОФАНе и в Физтехе, где он возглавлял кафедру, — проходили ранние этапы научной карьеры Анатолия Звездина. Он и являет собой шестое поколение физиков, распутывающих сложности взаимодействия электромагнитного излучения с веществом.
Физик шестой
На этой преемственности Анатолий Константинович особо настаивает. «Корни наших исследований лежат в советской науке. Я принадлежу к школе академика Прохорова. Он и другие мои учителя — в том числе академик В.-А. С. Боровик-Романов, профессор К. П. Белов из МГУ — гиганты, сидя на плечах которых я и мои коллеги изучаем физику сверхтонких процессов в магнетизме».
Историю познания, вместившую шесть поколений, невозможно корректно изложить за шесть минут; Звездин даже и не пытается. Описывая свою работу, он начинает с той самой байки об «атомных волчках»: «Представьте себе лазерный световой импульс длиной в фемтосекунду, всего два колебания поля, вверх-вниз. Мы показали, что этот импульс вызывает быструю динамику магнитных спинов в ансамбле атомов. Импульс кончился, а они продолжают вращаться. Следующий шаг — доказать, что импульс может перемагнитить вещество. И мы сейчас как раз работаем над механизмом полного перемагничивания материала коротким импульсом».
Анатолий Звездин, разумеется, тут же корректирует свою картинку, состряпанную на потребу невежественным популяризаторам: «В этой области правит бал квантовая механика. Без нее там ни шагу. Все дело в том, что мы нашли такой механизм, который раньше казался запрещенным. Это открывает путь для создания быстродействующей электроники, а в перспективе и квантового компьютинга».
У работ Звездина и коллег есть и еще одно любопытное приложение. Когда доктора делают вам МРТ (магнитно-резонансную томографию), они разбираются в ваших внутренностях, анализируя взаимодействие электромагнитного поля с веществом — например, вашей головой. При этом вам важно лежать спокойно и не дергаться. Но в природе все время что-то дергается, причем очень быстро: фемтосекунды (одна квадрильонная секунды) — характерное время процессов, происходящих с атомами материи, живой и неживой. И если Звездину с коллегами удастся понять, как взаимодействует с атомами фемтосекундный импульс поля, это откроет путь для познания механизмов жизни в немыслимых, фантастических подробностях.
Это произойдет не сейчас и не завтра. Но Анатолий Звездин, будучи еще и преподавателем Физтеха, закладывает основы для того, чтобы это когда-нибудь произошло:
«В нашей работе есть важный аспект, связанный с образовательной деятельностью. Мы привлекаем к работе студентов. Есть у нас одна девочка, закончила IV курс, бакалавр. Она уже на равных сотрудничает со специалистами в этой области. Недавно сделала устный доклад на международной конференции на тему наших исследований».
Остается добавить, что «девочку» зовут Маргарита Давыдова. Возможно, если лет этак через сто кто-то продолжит рассказывать историю преемственности физиков, от Фарадея до XXII века, ему можно будет начать прямо с Маргариты. По нашему счету это будет Физик седьмой.
Анатолий Звездин номинирован на премию «Сделано в России» «за способ в тысячу раз увеличить скорость работы компьютера», за хитрые игры с ионами тулия, тербия и висмута, заставляющие их послушно реагировать на терагерцовое излучение. Но еще и за то, что благодаря профессору Физтеха Анатолию Звездину, возможно, не прервется та преемственность, о которой мы рассказывали. Оборвать по неосторожности цепочку легче легкого. Но если ее сохранить, возможно, какое-то время эта сюжетная линия будет продолжаться и в России. Это бы вполне соответствовало духу нашей премии.
Примечания
* «Шесть рукопожатий» в названии статьи — небольшая натяжка, поскольку Умов и Столетов никогда лично с Максвеллом не встречались. Однако они поняли его статьи и вдохновились ими: о большем взаимопонимании физик и мечтать не может. В конце концов, автор этой заметки тоже общается с читателями с помощью букв на экране. А ощущение такое, будто каждому пожал руку.
** Анатолий Константинович Звездин был категорически против того, чтобы вспоминать о «Письме четырех академиков» в этой заметке, поскольку из нашего времени мы не имеем права судить поступки людей 80-х. Автор придерживается другого мнения.