Физика

Нобелевские лауреаты: Леон Купер

«К» значит «Купер», «N» значит «N»
Нобелевские лауреаты: Леон Купер
Как начать с резистентности бактерий, в 27 сделать работу нобелевского уровня, а затем перейти в нейронауки и добиться успеха и там, а также что значит буква «N» во втором имени нобелевского лауреата, что такое БКШ-теория и БКМ-теория, рассказывает новый выпуск рубрики «Как получить Нобелевку».

Леон Н. Купер

Родился: 28 февраля 1930 года, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США.

Нобелевская премия по физике 1972 года (1/3 премии, совместно с Джоном Бардином и Джоном Робертом Шриффером). Формулировка Нобелевского комитета: «За создание теории сверхпроводимости, обычно называемой БКШ-теорией (for their jointly developed theory of superconductivity, usually called the BCS-theory)».

Нобелевскую премию по физике в 1972 году разделили трое: физик Джон Бардин и его ученики — Леон Купер и Джон Шриффер. Однако об одном из этих ученых мы уже рассказали. Дело в том, что как раз в то время, когда совершался «нобелевский прорыв, именуемый БКШ-теорией», руководитель группы сорвался и вынужденно прекратил работу. Ему пришлось отправиться в Стокгольм, получать свою первую, но не последнюю Нобелевку, за изобретение транзисторов. Да, Бардин — единственный человек в истории, получивший две премии по физике. Но обо всем по порядку, ведь наш герой Леон Купер — единственный из троих, так сильно сменивший специализацию. И единственный, который еще жив.

Леон Н. Купер родился 90 лет назад в Нью-Йорке. Многие — да почти все — источники именуют сына Ирвинга Купера и Анны Золя Леоном Нилом Купером. Однако на самом деле никто не знает, что означает эта «Н». По семейному преданию, «Н» — это Натан, однако официально наш герой просто Леон Н. Купер. Иногда «N» — просто «N».

Леон Купер всегда любил эксперимент. Будучи ребенком в конце 1930-х и начале 1940-х годов, он устраивал лаборатории в подвалах и шкафах домов в Нью-Йорке, где жила его семья, и «испытывал терпение своего отца». Купер смешивал реактивы для проявки фотографий, покупал все, что мог, в магазинах химических товаров, которые в те дни продавали детям концентрированные кислоты и тому подобное, и, как многие маленькие мальчики, проявлял склонность к вещам, которые делали «бум».

«Я произвел один небольшой взрыв с усиленной пороховой смесью — у меня до сих пор иногда звенит в ушах, — говорил он в интервью Scientific American, — и вместе с другом едва не сделал то, что, как я позже выяснил, было тротилом. Наверное, мне всегда нравилось дурачиться. Удивительно, что мы не убили друг друга».

Любопытно, что свою первую научную работу, которую он представил в 17 лет на конкурс компании Westinghouse, Купер сделал в области биологии. В 1947 году он стал финалистом с проектом по выращиванию пенициллин-резистентных бактерий. А уже через 10 лет он опубликовал «нобелевскую» статью по физике.

Напомним, как было дело. Любопытство привело мальчика в высшую школу в Бронксе, затем в Колумбийский университет, где он стал изучать не биологию, а физику. Степень PhD он получил в 1954 году, а затем пошел постдоком к Бардину, занимавшемуся проблемой сверхпроводимости, которую открыл еще в 1911 году Хейке Камерлинг-Оннес.

Бардин предположил, что в сверхпроводимости металла важную роль играет взаимодействие между подвижными электронами и колебаниями атомов металла и что в результате этого взаимодействия создается связь электронов друг с другом. Как раз за счет этого разные изотопы одних и тех же металлов переходили в сверхпроводящее состояние при разных температурах. Нужно было это предположение описать теоретически.

Первый успех пришел к уже бывшему студенту Куперу, который смог показать, что электрон, проходящий сквозь кристалл, притягивает ближайшие положительно заряженные атомы металлов, немного деформируя кристаллическую решетку. Это создает кратковременное увеличение концентрации положительного заряда, а она притягивает второй электрон, и два электрона образуют пару, связанную друг с другом. Потом такие пары назовут куперовскими. Это случилось в 1956 году, и казалось, Шрифферу осталось только распространить это на макроописание — расписать, что происходит с большой популяцией электронов.

Но здесь что-то не заладилось. И присуждение первой Нобелевской премии, которое случилось как раз «в дни сомнений, в дни тягостных раздумий», оказалось очень кстати. Отправляясь на церемонию, Бардин сумел так горячо напутствовать своих учеников, что, пока сам он занимался официальными мероприятиями в Стокгольме, задача оказалась принципиально разрешена.

В апреле следующего года в Physical Review вышла статья «Микроскопическая теория сверхпроводимости», которую очень быстро стали называть теорией Бардина — Купера — Шриффера, а потом и просто БКШ-теорией. Как результат — за свои первые серьезные работы Купер и Шриффер получили Нобелевскую премию вместе со своим учителем.

А дальше давайте процитируем один из журналов, рассказывающих о Купере: «Он мог бы стать гуру сверхпроводимости, написать кучу статей, одну другой круче, но он предпочел иное». Купер сменил специальность и занялся гораздо более сложной системой, чем электроны в сверхпроводнике. Он переключился на мозг. И здесь снова стал автором трехбуквенной теории. На этот раз — БКМ. В 1981 году директор Института мозга и нейрональных систем Леон Н. Купер вместе с коллегами Элаем Бененстоком и Полом Мунро предложил теорию обучения зрительной коры, математически улучшив теорию Дональда Хебба — теорию нейронального обучения. Первые экспериментальные подтверждения БКМ-теории поступили уже в 1992 году — в работах на гиппокампе. Что не помешало Куперу написать нетрадиционный учебник по физике под названием «Введение в сущность и структуру физики».

А отношение самого Купера к науке неплохо иллюстрируют финальные слова его Нобелевской лекции:

«В последние недели меня и моих коллег часто спрашивали: "В чем состоит практическая ценность вашей теории?" Даже беглый просмотр резюме материалов конференций по сверхпроводимости и ее применений дает представление о целях экспериментальной, теоретической и инженерной работы в этой области, равно как и об ожидании, надежде и предположениях о возможных ее применениях в электромашиностроении большой мощности, в прецизионных измерительных устройствах, новых устройствах с большой скоростью переключения в компьютерах; однако персонально мне ответить на этот вопрос не очень просто. Открытие явления и построение теории — это обширная работа, в которой принимают участие многие ученые. Кроме того, существует множество вариантов практического использования свойств явления, но теории было бы правильнее не ставить их себе в заслугу. Теория не создает сокровищ, которыми обладает окружающий мир, хотя и может указать способ их отыскать. И эти сокровища иногда своим блеском притягивают наше внимание, ибо мы не так богаты, чтобы оставаться безучастными».