Эдвард Миллс Пёрселл: физик, услышавший пение водорода

В один из декабрьских дней 1945 года в здании военной лаборатории Гарварда, где все еще пахло припоем и деталями радаров, Эдвард Миллс Пёрселл (Edward Mills Purcell) и двое его коллег направили образец парафина на радиоприемник и впервые поймали слабый сигнал поглощения атомных ядер, кувыркающихся в магнитном поле. Им потребовались недели, чтобы убедить себя в том, что сигнал реален. Прошло еще три десятилетия, прежде чем медицина превратила его в сканер МРТ.

Инженер из сельскохозяйственного штата обращается к физике

Пёрселл родился 30 августа 1912 года в Тейлорвилле, штат Иллинойс, в семье Эдварда А. Пёрселла (Edward A. Purcell) и Мэри Элизабет Миллс (Mary Elizabeth Mills) и вырос, посещая государственные школы там и в соседнем Мэттуне. Он поступил в Университет Пердью с намерением стать инженером-электриком и окончил его в 1933 году, но работа по исследованию дифракции электронов в бакалавриате под руководством профессора К. Ларк-Горовица (K. Lark-Horovitz) направила его в сторону физики. Год в качестве студента по обмену в Высшей технической школе (Technische Hochschule) в Карлсруэ, Германия, где он учился у профессора В. Вайцеля (W. Weizel), еще больше обострил этот интерес. Он вернулся в Соединенные Штаты для обучения в аспирантуре в Гарварде, получил степень доктора философии в 1938 году и некоторое время оставался преподавателем физики, прежде чем Вторая мировая война изменила его карьеру, как и карьеру почти каждого физика его поколения.

Радары в Массачусетском технологическом институте

В 1940 году Пёрселл присоединился к Радиационной лаборатории Массачусетского технологического института (MIT), экстренной программе по созданию микроволновых радаров для военных нужд союзников, и дослужился до руководителя группы фундаментальных разработок. Эта работа свела его плечом к плечу с И. И. Раби (I. I. Rabi) и другими физиками, исследующими молекулярные и ядерные свойства с помощью радиометодов, и сделала Пёрселла экспертом в области микроволновой электроники, которая была необходима для его собственного послевоенного открытия. В некотором смысле исследования радаров стали пятилетним ученичеством в области приборов резонанса, хотя никто в проекте не думал о медицинской визуализации.

Открытие ядерного магнитного резонанса

Вернувшись в Гарвард в качестве доцента после войны, Пёрселл работал с Робертом Паундом (Robert Pound) и Генри Торри (Henry Torrey) над обнаружением ядерного магнитного резонансного поглощения в массивном веществе — явлении, при котором атомные ядра в магнитном поле поглощают и переизлучают радиочастотную энергию на частоте, зависящей от их локального химического окружения. Феликс Блох (Felix Bloch) и его группа в Стэнфорде независимо и почти одновременно обнаружили тот же эффект, используя другой метод обнаружения, и обе команды разделили Нобелевскую премию по физике 1952 года «за разработку новых методов для точных ядерных магнитных измерений и связанные с этим открытия». Язык Нобелевского комитета был сухим; последствия — нет. ЯМР дал химикам точный, неразрушающий способ чтения структуры молекул, а десятилетия спустя он стал физической основой магнитно-резонансной томографии, позволив врачам видеть внутренности живого тела без скальпеля или дозы рентгеновского излучения. Сам Пёрселл быстро перешел к более тонким аспектам явления — спиновому эху, временам ядерной магнитной релаксации и странной, но реальной концепции отрицательной спиновой температуры, результату, который позже окажется значимым для теории лазера.

Слушая галактику

Научное любопытство Пёрселла не ограничивалось лабораторным столом. Он предсказал, а затем помог подтвердить обнаружение линии радиоизлучения 21 сантиметр от атомов нейтрального водорода, рассеянных в межзвездном пространстве, — сигнала настолько слабого, что для его поиска потребовалось расширить те же резонансные методы, которые привели к ЯМР, до астрономических расстояний. Линия 21 сантиметр позволила астрономам впервые нанести на карту спиральную структуру Млечного Пути и фактически основала радиоастрономию как систематическую дисциплину. Это был редкий случай, когда лабораторная техника одного физика изменила и медицину, и космологию в течение одной карьеры.

Профессор, автор учебников, советник президента

Вернувшись в Гарвард, Пёрселл в 1949 году стал полным профессором и в конечном итоге получил звание университетского профессора имени Герхарда Гаде (Gerhard Gade). Он служил президентом Американского физического общества и был членом Национальной академии наук и Американской академии искусств и наук. Его научный авторитет привел его на государственную службу: с 1957 года он входил в состав Научно-консультативного комитета при президенте Дуайте Эйзенхауэре (Dwight Eisenhower) и продолжал консультировать Джона Ф. Кеннеди (John F. Kennedy) и Линдона Джонсона (Lyndon Johnson), будучи частью поколения физиков-государственников, призванных Вашингтоном во время холодной войны. Он также оставил след в педагогике физики, намного превосходящий его собственные открытия, написав учебник «Электричество и магнетизм» (Electricity and Magnetism) в рамках курса физики Беркли, финансируемого Национальным научным фондом проекта эпохи «Спутника», который примечателен тем, что вплел специальную теорию относительности непосредственно в представление электромагнетизма — педагогический выбор, которым преподаватели физики восхищаются до сих пор. Его также помнят по широко цитируемой лекции 1976 года «Жизнь при низких числах Рейнольдса» (Life at Low Reynolds Number), которая с поразительной ясностью объяснила, почему плавание в микроскопическом масштабе (например, для бактерии) подчиняется совершенно другим физическим правилам, чем плавание в человеческом масштабе, и представила то, что позже стали называть теоремой гребешка для возвратно-поступательного движения в вязких жидкостях. Среди более поздних наград — медаль Эрстеда (Oersted Medal) в 1967 году и Национальная научная медаль в 1979 году.

Почему Эдварда называют гением

Аргумент в пользу того, чтобы назвать Пёрселла гением, основывается не столько на единственной вспышке озарения, сколько на редкой последовательности интуиции при создании инструментов, примененной в совершенно разных масштабах. Та же техника — возбуждение ядерных спинов радиоволнами и чтение слабого сигнала, который они посылают в ответ, — позволила ему найти лабораторное явление с немедленной химической и медицинской отдачей, а через несколько лет обнаружить шепот атомов водорода, рассеянных по галактике. Коллеги и более поздние историки науки указывали на этот диапазон, плюс его способность объяснять сложную физику простым языком, как на признак необычайно глубокой физической интуиции, а не просто технического мастерства. Честный контр-аргумент заключается в том, что Пёрселл не открыл ЯМР в одиночку или изолированно: команда Феликса Блоха достигла той же физики независимо в течение нескольких недель, используя другой метод, а Пёрселл опирался непосредственно на военную радарную электронику, разработанную сотнями инженеров в Радиационной лаборатории MIT. Его гениальность заключалась в том, чтобы распознать, что знакомое кусок радарного оборудования может показать о невидимых внутренностях материи, а затем объяснить это откровение в учебниках и лекциях так ясно, что оно стало общеизвестным для следующего поколения физиков.

Наследие

Пёрселл умер 7 марта 1997 года в Кембридже, штат Массачусетс, в возрасте восьмидесяти четырех лет. Техника, которую он помог открыть в переоборудованной радарной лаборатории, теперь используется в больничных кабинетах МРТ и химических факультетах по всему миру, а метод картирования неба, который он впервые применил, остается рабочим инструментом радиоастрономии — редкий пример того, как прозрение одного физика одновременно меняет медицину и космологию.