Лоуренс Эрнест: происхождение, характер

Эрнест родился в начале нового столетия в семье норвежских иммигрантов. Его отец, Карл, был инспектором местных школ, а позднее - президентом нескольких педагогических колледжей в Кантоне штата Южная Дакота . Мать Эрнеста, Гунда, вспоминала о раннем детстве, проведенном в обложенной дерном хижине в прериях. В качестве директора Нотерн Нормал энд Индастриал Скул в Абердине штата Южная Дакота Карл Лоуренс зарабатывал 3000 долларов в год - и умер не получая пенсии. Эрнест продавал алюминиевую кухонную посуду, обходя квартиры и предлагая ее домохозяйкам, и тем стараясь заработать себе на учебу в колледже.

Лоуренс учился в городских школах Кантона и Пьерра. В свободное время он и его лучший друг и сосед Мерл Тьюв, также ставший выдающимся физиком, строили планеры и создали свою собственную систему беспроволочного телеграфа.
Когда один из его двоюродных братьев умер от лейкемии, Лоуренс решил стать медиком. Получив стипендию, она 1918 г. поступил в колледж св. Олафа в Нортфилде (штат Миннесота), но через год перешел в университет Южной Дакоты.

Получив образование в колледже Святого Олафа и в университете Южной Дакоты , Эрнест усвоил духовные ценности, характерные для Среднего Запада. Лоуренс пришел в науку еще во время учебы в средней школе в качестве радиолюбителя . Мерле Туве , еще один из первых экспериментаторов в области радиосвязи и друг Эрнеста, когда тот в детстве еще жил в прерии, позднее стал начальником отдела в Институте Карнеги в Вашингтоне. В университете  профессор электротехники Льюис Э. Эйкели привлек Лоуренса к углубленным занятиям физикой. После получения в 1922 г. диплома бакалавра наук с отличием Лоуренс поступил в аспирантуру университета штата Миннесота к У. Ф. Г. Сванну. В аспирантуре он занимался экспериментальным исследованием электрической индукции и в 1923 г. получил ученую степень магистра наук.

Через год Лоуренс вместе со своим учителем Сванном перешел в Чикагский университет. Там его интерес к физике еще более возрос после встреч с Нильсом Бором, Артуром Комптоном, Альбертом А. Майкельсоном, X. А. Вильсоном и другими выдающимися физиками. Через год после перехода осенью 1924 г. в Йельский университет Лоуренс получил докторскую степень. Его диссертация о фотоэлектрическом эффекте в парах калия стала первой из его значительных работ в этой области физики. Следующие два года он работал в Йеле как стипендиат Национального совета по научным исследованиям и в 1927 г. получил назначение на должность ассистент-профессора физики. Но в 1928 г. Лоуренс покинул Йельский университет и стал адъюнкт-профессором Калифорнийского университета в Беркли. 

В Калифорнии Лоуренс сначала продолжил начатые исследования в таких областях, как фотоэлектричество и измерение очень коротких промежутков времени. К числу его других достижений того времени относится и экспериментальная демонстрация принципа неопределенности Вернера Гейзенберга. 
Затем Лоуренс обратился к ядерной физике, которая тогда быстро развивалась. В 1919 г. Эрнест Резерфорд расщепил атомное ядро, бомбардируя его альфа-частицами, испускаемыми радием. Резерфорд обнаружил, что среди осколков, возникающих после столкновений, встречаются атомы с меньшим атомным весом, чем исходный. Некоторые из таких осколков были изотопами известных элементов, т.е. обладали такими же химическими свойствами, таким же зарядом ядра, но имели другой вес.
У методов Резерфорда были серьезные недостатки: радий был редким элементом, альфа-частицы вылетали из источника по всем направлениям, число наблюдаемых столкновений было чрезвычайно мало, а вся процедура наблюдений трудоемка. Ядерная физика испытывала острую нужду в обильном источнике контролируемых частиц высокой энергии. Так как и бомбардирующие частицы, и ядра-мишени были положительно заряжены (электроны играли весьма незначительную роль при столкновениях), налетающие частицы должны были обладать достаточно большой энергией, чтобы преодолеть не только электрическое отталкивание, но и энергию связи, обеспечивающую целостность ядра. Джон Кокрофт и Эрнест Уолтон построили линейные ускорители частиц, работавшие при очень высоких напряжениях. В этих устройствах положительно заряженные частицы разгонялись по прямой в направлении притягивавшего их отрицательного электрода и приобретали энергию, пропорциональную приложенному напряжению.
Линейные ускорители не нравились Лоуренсу, так как в них время от времени происходил пробой изоляции и возникал высоковольтный разряд, напоминающий по виду молнию. В 1929 г. Лоуренсу попалась на глаза статья на немецком языке инженера норвежского происхождения Рольфа Видерее, в которой рассматривалась схема ускорителя частиц, предложенная ранее шведским физиком Густавом А. Изингом. Хотя Лоуренс недостаточно владел немецким языком, чтобы разобраться во всех тонкостях, основная идея была ему ясна из иллюстраций к статье: частицы можно ускорять, повышая напряжение постепенно, а не создавая один большой "горб". Лоуренс понял, что прямолинейный путь можно изогнуть в окружность. Проделав необходимые расчеты, он вместе с несколькими сотрудниками приступил к проектированию и постройке первого циклотрона. Именно с его созданием обычно связывают имя Лоуренса.
Основная идея Лоуренса состояла в том, что заряженные частицы движутся в однородном магнитном поле по окружностям. Так происходит потому, что движущийся заряд представляет собой электрический ток, который, как и ток в обмотках электромагнита, создает магнитное поле. Подобно двум магнитам, поднесенным вплотную друг к другу, частица и внешний магнит действуют друг на друга с определенной силой, но двигаться может только частица (в случае двух сближаемых магнитов это соответствует тому, что один магнит жестко закреплен, а другой может двигаться). Направление силы всегда образует прямые углы с направлением магнитного поля и с направлением движения частицы. Поскольку направление частицы постоянно изменяется, частица движется по окружности. Важная особенность движения частицы состоит в том, что она всегда описывает полную окружность за одно и то же время независимо от скорости (кинетической энергии) частицы. Но диаметр окружности тем больше, чем больше скорость частицы. Именно эти особенности движения частиц и использовал Лоуренс, проектируя свой циклотрон.

После первого, довольно несовершенного циклотрона, построенного в 1930 г., Лоуренс и его коллеги из Беркли быстро создали одну за другой более крупные модели. Используя 80-тонный магнит, предоставленный ему Федеральной телеграфной компанией, Лоуренс ускорял частицы до рекордных энергий в много миллионов электрон-вольт. Циклотроны оказались идеальными экспериментальными приборами. В отличие от частиц, испускаемых ядрами при радиоактивном распаде, пучок частиц, выводимых из циклотрона, был однонаправленным, их энергию можно было регулировать, а интенсивность потока была несравненно выше, чем от любого радиоактивного источника.
Высокие энергии, достигнутые Лоуренсом и его сотрудниками, открыли перед физиками обширное новое поле для исследований. Бомбардировка атомов многих элементов позволила расщепить их ядра на фрагменты, которые оказались изотопами, часто радиоактивными. Иногда ускоренные частицы "прилипали" к ядрам-мишеням или вызывали ядерные реакции, среди продуктов которых встречались новые элементы, не существующие на Земле в естественных условиях. Полученные результаты показали, что если бы частицы можно было ускорять до достаточно больших энергий, то с помощью циклотрона можно было бы осуществить почти любую ядерную реакцию. Циклотрон использовался и для измерения энергий связи многих ядер, и (путем сравнения разности масс до и после ядерной реакции) для проверки соотношения Альберта Эйнштейна между массой и энергией.
Циклотрон позволил создать радиоактивные изотопы для медицинских целей. Над биомедицинским применением ядерной физики Лоуренс работал вместе со своим младшим братом Джоном, медиком и директором Биофизической лаборатории в Беркли. Джон Лоуренс с успехом использовал изотопы для лечения раковых больных, в том числе своей матери, у которой был неоперабельный случай заболевания раком. После курса лечения она прожила еще 20 лет.

Лоуренс был удостоен Нобелевской премии по физике 1939 г. "за изобретение и создание циклотрона, за достигнутые с его помощью результаты, особенно получение искусственных радиоактивных элементов". Из-за начавшейся второй мировой войны церемония вручения премии была отменена. По поводу работ Лоуренса Манне Сигбанн из Шведской королевской академии наук заявил, что изобретение циклотрона вызвало "взрыв в развитии ядерных исследований... В истории экспериментальной физики... циклотрон занимает исключительное место. Вне всякого сомнения, циклотрон является самым большим и самым сложным из всех когда-либо построенных научных приборов". Нобелевская премия была вручена Лоуренс в 1941 г. на торжествах, состоявшихся в Беркли. Свою Нобелевскую лекцию он прочитал в Стокгольме в 1951 г.
В 1940 г. Лоуренс принял участие в создании радиационной лаборатории при Массачусетском технологическом институте. По настоянию Лоуренса многие его бывшие ученики стали ее сотрудниками. Цель лаборатории состояла в усовершенствовании радарной техники, созданной впервые в Англии во время второй мировой войны для электронного обнаружения самолетов противника. В 1941 г. Лоуренс набрал штат лаборатории подводной акустики в Сан-Диего, занимавшейся разработкой противолодочных систем для борьбы с немецкими подводными лодками, подстерегавшими конвои с военными грузами, направляемыми из Соединенных Штатов в Великобританию. Затем Лоуренс, сохранив лишь неформальные связи с этими лабораториями, занялся в Беркли превращением 37-дюймового циклотрона в масс-спектрометр для разделения расщепляющегося урана-235 и обычного урана-238. В масс-спектрометре, как и в циклотроне, используется комбинация электрического и магнитного полей, но не для ускорения частиц, а для пространственного разделения их - направления по различным траекториям в зависимости от масс и электрических зарядов. Так как массы изотопов несколько отличаются, изотопы движутся по близким, хотя и несовпадающим траекториям, поэтому могут быть разделены, хотя способ их разделения не слишком эффективен.
Успех, достигнутый Лоуренсом, оказался достаточно внушительным для того, чтобы вся работа по разделению изотопов была поручена его лаборатории. В Окридже (штат Теннесси) в рамках Манхэттенского проекта (секретного плана создания американской атомной бомбы) были построены сотни масс-спектрометров по образу и подобию циклотрона в Беркли с 184-дюймовым магнитом. Почти весь уран в бомбе, сброшенной в августе 1945 г. на Хиросиму, был получен Лоуренсом и его сотрудниками в Беркли. Впоследствии окриджский завод по разделению изотопов с помощью масс-спектрометров был закрыт, так как газодиффузионный метод оказался более эффективным.
В конце войны Лоуренс и его сотрудники вернулись к фундаментальным исследованиям. Правда, Лоуренс по-прежнему принимал участие в создании ядерного оружия. Ему были выделены фонды для развертывания в Ливерморе (неподалеку от Беркли) второй научно-исследовательской лаборатории для нужд военной промышленности. Она была независима от Лос-Аламосской лаборатории, созданной в рамках Манхэттенского проекта. Получившее впоследствии наименование Ливерморской лаборатории Лоуренса, это научно-исследовательское учреждение стало главным центром, в котором велись работы по созданию водородной бомбы.
В Беркли Лоуренс руководил строительством ускорителей, способных разгонять частицы до энергий в миллиарды электрон-вольт. На одном из таких ускорителей, получившем название бэватрона, Эмилио Сегре и другие исследователи свойств мезонов (элементарных частиц с массами, промежуточными между массами электрона и протона) открыли антипротон (двойник протона с отрицательным зарядом).
Лоуренс был приглашен президентом Дуайтом Д. Эйзенхауэром как консультант правительства для изучения возможности определения нарушения соглашения о запрещении испытаний ядерного оружия, которое рассматривалось на Женевской конференции 1958 г. По возвращении домой Лоуренс был оперирован по поводу обострения язвы и умер в больнице Пало-Альто (штат Калифорния) 27 августа 1958 г.
В 1932 г. Лоуренс вступил в брак с Мэри Кимберли Блумер, дочерью декана медицинской школы Йельского университета. У Лоуренсов родилось шестеро детей.
Помимо своих многочисленных работ в ядерной физике Лоуренс изобрел оригинальную конструкцию телевизионной трубки - хроматрон Лоуренса, производившийся в промышленных масштабах в Японии и Соединенных Штатах. Подолгу задерживаясь на работе в будни и в выходные, Лоуренс вместе с тем любил заниматься греблей, играть в теннис, кататься на коньках и слушать музыку. "Важными составными элементами его успеха, - считал Луис У. Альварес, - были природная смекалка и здравость научных суждений, огромный запас жизненных сил, преисполненная энтузиазма неординарная личность и доминирующее над всем ощущение целостности".
Среди многочисленных наград и почестей, которых был удостоен Лоуренс, медаль Эллиота Крессона Франклиновского института (1937), медаль Хьюза Лондонского королевского общества (1940) и медаль Холли Американского общества инженеров-механиков (1942). Он был почетным доктором университетов Южной Дакоты, Пенсильвании, Британской Колумбии, Южной Калифорнии и Глазго, а также Йеля, Гарварда, Рутдерса и Макгилла. Лоуренс был избран членом Национальной академии наук США, Американского философского общества и Японского физического общества, а также состоял почетным членом многих других иностранных научных обществ.

Несмотря на простое происхождение Лоуренса, у него никогда не возникало стремления к равноправию. В Радиационной лаборатории принцип "первый среди равных" не имел места. Для работающих на циклотроне сотрудников ЭОЛ был "Маэстро" или просто "Шеф". Посетители лаборатории видели среди грязных фарфоровых кружек сотрудников китайскую чайную чашку и блюдце, которые единственные сияли чистотой. После утреннего перерыва на кофе Кукси запирал чашку, блюдце и посеребренную ложку в ящик стола, на котором была сделана бросающаяся в глаза надпись "Только для директора".

Хотя Лоуренс был высоким и обладал приятной внешностью - его рост составлял более шести футов, с поразительными синими глазами и копной белокурых, зачесанных назад волос, - но говорил он скорее тенором, чем баритоном, и всегда чувствовал себя беспокойно, выступая перед большой аудиторией.

Эрнест получил строгое лютеранское воспитание, так что в моменты разочарований и при задержках во время работы на циклотроне от него редко можно было услышать выражения сильнее, чем "Чушь!" или "О, Господи!". Но при всей своей скандинавской флегматичности Лоуренс был вспыльчивым и легко раздражался. При вспышках над его левым виском вздувалась вена " своего рода барометр и предупреждение как для студентов, так и для коллег. Презирающий большинство человеческих слабостей, Лоуренс был особенно нетерпим ко лжи. Как-то раз Лоуренс распекал Молли за то, что она не слушала его выступления по радио, но ее ответ - "Эрнест, ты бы хотел, чтобы я солгала" - остановил его. По своему характеру Лоуренс был раздражительным, но в нем подкупало его знаменитое обаяние. Когда Северо-Западный университет попробовал переманить его из Беркли к себе, Спроул связался с руководителем физического факультета Раймондом Бирге , чтобы расстроить эту попытку. Стремясь убедить членов попечительского совета выдвинуть Лоуренса на звание профессора, Бирге и коллеги Эрнеста написали длинное письмо Спроулу. В нем любезность и обаяние Лоуренса преподносились почти в той же степени, что и выполненные им исследования.

Ссылки: