Edward Mills Purcell: Hidrojenin Şarkısını Duyan Fizikçi

1945 yılının Aralık ayında, Harvard'daki hala lehim ve radar parçaları kokan savaş dönemi laboratuvar binasında Edward Mills Purcell ve iki meslektaşı, bir parafin örneğini bir radyo alıcısına doğrulttular ve ilk kez atom çekirdeklerinin bir manyetik alan içinde dönmesinden kaynaklanan zayıf soğurma sinyalini yakaladılar. Sinyalin gerçek olduğuna kendilerini ikna etmeleri haftalar sürdü. Tıbbın bunu bir MRI tarayıcısına dönüştürmesi ise otuz yıl daha alacaktı.

Tarım Bölgesinden Bir Mühendis Fizikle Tanışıyor

Purcell, 30 Ağustos 1912'de Taylorville, Illinois'de Edward A. Purcell ve Mary Elizabeth Mills'in oğlu olarak dünyaya geldi ve orada ve yakındaki Mattoon'da devlet okullarına devam etti. Purdue Üniversitesi'ne elektrik mühendisi olma niyetiyle girdi ve 1933'te mezun oldu, ancak lisans eğitimi sırasında Profesör K. Lark-Horovitz yönetiminde yaptığı elektron kırınımı araştırmaları onu fiziğe yönlendirdi. Almanya, Karlsruhe'deki Technische Hochschule'de Profesör W. Weizel'in yanında öğrenim gördüğü bir yıllık değişim öğrenciliği, bu ilgiyi daha da keskinleştirdi. Lisansüstü çalışmalar için Amerika Birleşik Devletleri'ne, Harvard'a döndü, 1938'de doktorasını aldı ve İkinci Dünya Savaşı kendi neslinin neredeyse tüm fizikçilerinin kariyerini değiştirdiği gibi onun kariyerini de şekillendirmeden önce kısa bir süre fizik eğitmeni olarak kaldı.

MIT'de Radar

1940 yılında Purcell, Müttefiklerin savaş çabaları için mikrodalga radarı inşa eden acil program olan MIT Radyasyon Laboratuvarı'na katıldı ve Temel Geliştirmeler Grubu'na liderlik etmek üzere yükseldi. Bu çalışma onu, radyo yöntemleriyle moleküler ve nükleer özellikleri araştıran I. I. Rabi ve diğer fizikçilerle omuz omuza getirdi ve Purcell'i savaş sonrası kendi keşfi için ihtiyaç duyacağı mikrodalga elektroniği konusunda uzmanlaştırdı. Radar araştırması, projede kimse tıbbi görüntüleme hakkında düşünmese de, bir anlamda rezonans enstrümantasyonu üzerine beş yıllık bir çıraklıktı.

Nükleer Manyetik Rezonansın Keşfi

Savaştan sonra Harvard'a doçent olarak dönen Purcell, Robert Pound ve Henry Torrey ile birlikte çalışarak kütle halindeki maddelerde nükleer manyetik rezonans soğurmasını tespit etti; bu, manyetik alan içindeki atom çekirdeklerinin, yerel kimyasal çevrelerine bağlı bir frekansta radyo frekansı enerjisini soğurduğu ve yeniden yaydığı fenomendi. Stanford'daki Felix Bloch ve grubu, farklı bir tespit yöntemi kullanarak aynı etkiyi bağımsız olarak ve neredeyse aynı anda buldular ve iki ekip, "nükleer manyetik hassas ölçümler için yeni yöntemlerin geliştirilmesi ve bununla bağlantılı keşifleri" nedeniyle 1952 Nobel Fizik Ödülü'nü paylaştı. Nobel komitesinin dili kuruydu; ancak sonucu öyle değildi. NMR, kimyagerlere moleküllerin yapısını okumak için kesin ve tahribatsız bir yol sağladı ve onlarca yıl sonra manyetik rezonans görüntülemenin (MRI) fiziksel temeli haline gelerek doktorların neşter veya X-ışını dozu olmadan canlı bir vücudun içini görmesini sağladı. Purcell'in kendisi, fenomenin daha ince köşelerine (spin-eko gevşemesi, nükleer manyetik gevşeme süreleri ve daha sonra lazer teorisiyle ilgili olduğu kanıtlanacak olan garip ama gerçek bir negatif spin sıcaklığı kavramı) hızla geçti.

Galaksiyi Dinlemek

Purcell'in bilimsel merakı laboratuvar tezgahında durmadı. Yıldızlararası uzaya yayılmış nötr hidrojen atomlarından gelen 21 santimetrelik radyo emisyon hattının tespitini öngördü ve doğrulanmasına yardımcı oldu; bu sinyal o kadar zayıftı ki, onu bulmak için NMR'ı üreten aynı rezonans tekniklerini astronomik mesafelere kadar genişletmek gerekiyordu. 21 santimetrelik hat, gökbilimcilerin Samanyolu'nun spiral yapısını ilk kez haritalandırmasını sağladı ve radyo astronomisini sistematik bir disiplin olarak fiilen kurdu. Bu, bir fizikçinin laboratuvar tekniğinin tek bir kariyer içinde hem tıbbı hem de kozmolojiyi yeniden şekillendirdiği nadir bir vakaydı.

Profesör, Ders Kitabı Yazarı, Başkan Danışmanı

Harvard'a dönen Purcell, 1949'da profesörlüğe yükseldi ve sonunda Gerhard Gade Üniversite Profesörü unvanını aldı. Amerikan Fizik Derneği başkanlığı yaptı ve Ulusal Bilimler Akademisi ile Amerikan Sanat ve Bilim Akademisi üyesiydi. Bilimsel statüsü onu devlet hizmetine taşıdı: 1957'den itibaren Dwight Eisenhower yönetimindeki Başkanın Bilim Danışma Komitesi'nde yer aldı ve Soğuk Savaş sırasında Washington tarafından çağrılan fizikçi-devlet adamları kuşağının bir parçası olarak John F. Kennedy ve Lyndon Johnson'a danışmanlık yapmaya devam etti. Ayrıca, fizik pedagojisinde kendi keşiflerinin çok ötesinde bir iz bıraktı; NSF tarafından finanse edilen, Sputnik dönemi bir proje olan Berkeley Fizik Kursu'nun bir parçası olarak 'Elektrik ve Manyetizma' adlı ders kitabını yazdı. Bu kitap, özel göreliliği doğrudan elektromanyetizmanın sunumuna işlemesiyle dikkat çeken, bugün hala fizik öğretmenlerinin takdir ettiği pedagojik bir tercihti. Ayrıca, 1976'da yaygın olarak alıntılanan "Düşük Reynolds Sayısında Yaşam" başlıklı dersiyle de hatırlanır; bu ders, mikroskobik ölçekte yüzmenin (örneğin bir bakteri için) insan ölçeğinde yüzmekten neden tamamen farklı fiziksel kurallara uyduğunu şaşırtıcı bir netlikle açıklamış ve viskoz akışkanlarda karşılıklı hareket için daha sonra 'tarak teoremi' (scallop theorem) olarak adlandırılacak kavramı tanıtmıştır. Daha sonraki onurları arasında 1967'de Oersted Madalyası ve 1979'da Ulusal Bilim Madalyası bulunmaktadır.

Edward Neden Dahi Olarak Adlandırılıyor

Purcell'i dahi olarak adlandırmanın gerekçesi, tek bir içgörü parıltısından çok, son derece farklı ölçeklerde uygulanan enstrüman inşa etme sezgisinin nadir tutarlılığına dayanmaktadır. Aynı teknik (nükleer spinleri radyo dalgalarıyla uyarmak ve geri gönderdikleri zayıf sinyali okumak) onun hem acil kimyasal ve tıbbi getirisi olan bir laboratuvar fenomeni bulmasını hem de birkaç yıl sonra galaksiye dağılmış hidrojen atomlarından gelen bir fısıltıyı tespit etmesini sağladı. Meslektaşları ve daha sonraki bilim tarihçileri, bu aralığın yanı sıra zor fiziği basit bir dille açıklama yeteneğini, yalnızca teknik bir beceriden ziyade alışılmadık derecede derin bir fiziksel sezginin işareti olarak işaret ettiler. Dürüst karşı argüman, Purcell'in NMR'ı tek başına veya yalıtılmış bir şekilde keşfetmediğidir: Felix Bloch'un ekibi farklı bir yöntem kullanarak haftalar içinde aynı fiziğe bağımsız olarak ulaştı ve Purcell doğrudan MIT Radyasyon Laboratuvarı'ndaki yüzlerce mühendis tarafından geliştirilen savaş dönemi radar elektroniği üzerine inşa etti. Onun dehası, tanıdık bir radar donanım parçasının maddenin görünmez iç yapısı hakkında neleri ortaya çıkarabileceğini fark etmekte ve ardından bu keşfi ders kitaplarında ve derslerde gelecek nesil fizikçiler için genel bilgi haline gelecek kadar açık bir şekilde açıklamakta yatıyordu.

Miras

Purcell, 7 Mart 1997'de Cambridge, Massachusetts'te seksen dört yaşında öldü. Dönüştürülmüş bir radar laboratuvarında keşfedilmesine yardımcı olduğu teknik, şimdi dünya çapındaki hastane MRI süitlerinin ve kimya bölümlerinin içinde yer alıyor ve öncülük ettiği gökyüzü haritalama yöntemi, radyo astronomisinin çalışan bir aracı olmaya devam ediyor; bu, bir fizikçinin içgörüsünün tıbbı ve kozmolojiyi aynı anda yeniden şekillendirdiği nadir bir örnektir.