Как получить высшую научную награду за свою диссертацию, что такое «второй эффект Мессбауэра» и как открытие молодого немецкого ученого позволило в итоге найти воду на Марсе, рассказывает наш очередной выпуск рубрики «Как получить Нобелевку».

Рудольф Мессбауэр

Родился 31 января 1929 года, Мюнхен, Германия

Умер 14 сентября 2011 года, Мюнхен, Германия

Нобелевская премия по физике 1961 года (1/2 премии, вторая половина присуждена Роберту Хофштадтеру). Формулировка Нобелевского комитета: «За исследования резонансного поглощения гамма-излучения и открытие в связи с этим эффекта, носящего его имя (for his researches concerning the resonance absorption of gamma radiation and his discovery in this connection of the effect which bears his name)».

Наш герой относится к той категории лауреатов Нобелевской премии, которые «выстрелили» одной своей первой работой. В случае Рудольфа Мессбауэра она еще и прошла незамеченной — пока через несколько лет к ней не «привязали» имя великого Эйнштейна. Однако именно благодаря этой диссертации более чем полвека спустя в некрологе физика назовут «ученым, который возродил немецкую науку». Но обо всем по порядку.

Рудольф Мессбауэр родился в Мюнхене. Его родителями были фототехник Людвиг Мессбауэр и Эрна Эрнст. Кстати, профессия отца осталась с будущим нобелиатом на всю жизнь: фотография и велопрогулки стали основными хобби ученого.

Рудольф не участвовал во Второй мировой войне – в то время он учился в школе и окончил ее только в 1948 году. После школы он поступил в Мюнхенский технический университет. В 1952 году Мессбауэр стал бакалавром, в 1955 – магистром, в 1958 — доктором, в 1961 (в 32 года) — лауреатом Нобелевской премии.

Удивительно, но факт: ее Мессбауэр получил за обязательную PhD-диссертацию, которую он выполнил в Институте медицинских исследований в Гейдельберге, входившем в Институт Макса Планка, под руководством своего учителя из Мюнхена — Хайнца Майера-Лейбница. Баварец изучал взаимодействие ядер атомов с гамма-излучением и открыл эффект, который (почти) сразу же нашел множество применений.

Явление поглощения и переизлучения фотонов веществом было известно еще с середины XIX века. Уже тогда стало ясно, что некоторые вещества могут поглотить видимый свет и сразу же излучить его снова. Этот эффект называется флуоресценцией. Уже в XX веке два нобелевских лауреата, Чарльз Бакла и Карл Сигбан, смогли открыть и изучить рентгеновскую флуоресценцию.

Когда она может возникнуть? Только когда энергия возбуждающего фотона равна энергии, необходимой для возбуждения атома или его ядра. Но нужно понимать, что энергия фотона зависит от движения атома, который его поглощает или испускает. Они приближаются друг к другу – энергия возрастает (наверное, не будем подробно останавливаться на эффекте Допплера, из-за которого при движении объекта навстречу волне частота увеличивается, а стало быть, увеличивается и энергия). Если же они удаляются друг от друга, все происходит ровно наоборот.

Испускание или поглощение фотона протекает с сохранением как энергии, так и импульса. Отсюда следует, что при излучении фотона атом должен испытывать отдачу. Ее энергия вычитается из энергии фотона, которая, следовательно, становится несколько меньше той энергии, которой обладал бы фотон, если бы такой отдачи не было. В случае с оптической флуоресценции отдачей можно пренебречь. Но когда речь заходит о гамма-лучах, энергия возрастает на порядки.

Так что же сделал Мессбауэр? Он добился резонансной флуоресценции гамма-лучей, переизлучения без отдачи. Изучая взаимодействие изотопа иридия-191 с гамма-фотонами, он с удивлением увидел, что при охлаждении кристаллов жидким азотом флуоресценция резко увеличилось. Произошло то, что сам физик назвал «упругим ядерным резонансным поглощением гамма-излучения».

Почему же этот эффект настолько важен? Во-первых, как и всякий эффект, возникающий в твердом теле, он зависит от кристаллической структуры вещества, от температуры и даже от присутствия мельчайших примесей, а во-вторых, флуоресцентные гамма-фотоны обладают исключительной стабильностью в отношении длины волны. Сам Мессбауэр добился точности в одну миллиардную длины волны, позже удалось достичь результата в одну стотриллионную. Это позволило, во-первых, возникнуть новому типу спектроскопии (мессбауэровская спектроскопия), а во-вторых, изучать магнитные свойства самих ядер. Как потом скажет при представлени лауреата член Шведской королевской академии наук Айвар Валлер, при помощи нового эффекта «стало возможно исследовать такие важные явления, которые прежде находились вне досягаемости даже для наиболее точных измерений».

Но эти слова были сказаны в 1961 году, а тремя годами ранее, когда свежеиспеченный PhD опубликовал свою работу, ее… просто никто не заметил. Точнее, почти никто. В 1960 году Роберт Вивиан Паунд из Гарварда и его аспирант Глен Андерсон Ребка провели эксперимент, который был призван независимо проверить одно из следствий теории относительности Эйнштейна.

В общей теории относительности Альберт Эйнштейн предсказал три интересные вещи — аномальную прецессию перигелия орбиты Меркурия (впрочем, она-то была известна и до ОТО), отклонение света в поле тяготения (что было открыто во время солнечного затмения в 1919 году) и гравитационное красное смещение (что равняется замедлению времени в гравитационном поле). Вот последнее-то предсказание и не удавалось проверить до появления метода Мессбауэра.

Паунд и Ребка взяли гамма-кванты с энергией 14,4 кэВ, испускаемые возбужденным ядром ⁵⁷Fe в переходе на основное состояние, которые проходили расстояние в 22,5 м по высоте сверху вниз в поле тяготения Земли и резонансно поглощались мишенью из того же материала. За счет того, что ниже гравитационное поле Земли сильнее, течение времени внизу шло медленнее, частота квантов уменьшалась и резонанс исчезал. На самом деле эксперимент был намного сложнее, Паунду и Ребке пришлось учитывать много тонкостей, но все равно они смогли получить результат, совпадающий с предсказанием ОТО.

После гарвардского успеха Мессбауэр, можно сказать, проснулся знаменитым. Ирония судьбы в том, что как раз в это время он был вынужден уехать из страны. Он должен был стать профессором в своей alma mater, но бюрократия и негибкое устройство в местных университетах надоели ему настолько, что он взял «творческий» отпуск и уехал исследователем в Калтех. Там его и застала новость о присуждении Нобелевской премии.

После высшей точки в своей карьере он прожил еще полвека. В 1964 году он вернулся в Германию, заняв пост профессора физического факультета Технического университета в Мюнхене — и перестроил всю систему вуза по примеру американских университетов. Эту реформу потом назвали «вторым эффектом Мессбауэра». А его «первый» эффект начал триумфальное шествие по миру, находя себе новые и новые применения — в геологии, археологии, химии, физике…

Эффект Мессбауэра используется даже на других планетах: так, например, на марсоходах-близнецах Spirit и Opportunity, долгие годы изучавших Красную планету, стояли миниатюрные мессбауэровские спектрометры MIMOS II, которые использовали кобальт-57 как источник гамма-лучей. Эти приборы позволили открыть минерал ярозит на Марсе, что стало самым сильным доказательством присутствия воды на этой планете.